Wirtschaftlichkeit von Verbundbrücken unter ... - VSVI Hessen

Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Entwurf
Schwerpunkte: Stahlbau, Holzbau und Verbundbau
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
Wirtschaftlichkeit von Verbundbrücken
unter Berücksichtigung der Nutzungsdauer
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
Dipl.-Ing. Gunter Hauf
Institut für Konstruktion und Entwurf
Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 7
70569 Stuttgart
www.uni-stuttgart.de/ke
Wirtschaftlichkeit von Verbundbrücken unter Berücksichtigung der Nutzungsdauer
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Dipl.-Ing. Gunter Hauf, Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart

Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Entwurf
Schwerpunkte: Stahlbau, Holzbau und Verbundbau
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann
1 Einführung
1.1 Aufgabenstellung
Unfälle und Baustellen sind die Hauptursachen für Staus. Um Staus zu vermeiden, sollte einerseits das
Unfallrisiko vermieden werden, zum anderen die Beeinträchtigung durch Baustellen durch verkürzte Bauzeiten
bzw. erhöhte Dauerhaftigkeit minimiert werden. Diese Kriterien spielen bisher bei der Beurteilung
von Ausschreibungen von Brückenbauwerken keine Rolle. Ziel des Projekts war es, Methoden zu einer
Kosten-Nutzen-Bewertung zu identifizieren, die solche Kriterien einbeziehen.
Aufgabe des von der Hessischen Straßen- und Verkehrsverwaltung, Wiesbaden beauftragten Gutachtens
war die Beurteilung und Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von Verbundbrücken insbesondere unter
Berücksichtigung des Bauverfahrens und der Nutzungsdauer [1], [2]. Im Mittelpunkt der Untersuchung
standen hierbei Überführungsbrücken (Ü-Bauwerke) und Autobahnbrücken (A-Bauwerke) im mittleren
Spannweitenbereich von ca. 45m, an denen exemplarisch die verschiedenen Methoden der Wirtschaftlichkeitsrechnung
durchgeführt wurden.
1.2 Ü-Bauwerke
Während die Ü-Bauwerke aus Stahlbeton/Spannbeton üblicherweise als ein Zweifelträger (2 x 26m) ausgeführt
werden, kann bei der Stahlverbundvariante die Brücke als Rahmenbauwerke (mit einer Stützweite
von ca. 44m) hergestellt werden, siehe Bild 1 und 2. Der Vorteil hierin liegt im Wegfall eines Mittelpfeilers
und somit in der Reduzierung des Unfallrisikos durch den räumlichen Eingriff in den Verkehr.
Bild 1: Ü-Bauwerk: Spannbetonbrücke als Zweifeld-Träger
Bild 2: Ü-Bauwerk: Rahmenbrücke als Stahlverbundkonstruktion
Anhand umfangreicher Literaturrecherchen konnten die gesamten Baukosten der beiden Varianten ermittelt
werden. Aufgrund der großen Spannweite ist die Verbundkonstruktion und um ca. 25% teurer als die
2-feldrige Massivbrücke. Bei den Bauzeiten kann dagegen bei der Verwendung von Fertigteilen, z.B. mittels
vorgefertigten Stahlbeton- bzw. Stahlbetonverbundträgern, durch den hohen Vorfertigungsgrad die
Bauzeit und Montage vor Ort auf der Baustelle minimiert werden, was gleichzeitig zu einer reduzierten
Störung des Straßenverkehrs führt.
1.3 A-Bauwerke - Autobahnbrücken mit einer Stützweite von 45 m
Für die Bemessung und die Ermittlung der Querschnitte wurde eine 5-Feld-Brücke mit einer Innenstützweite
von 45m gewählt. Dabei wurden verschiedene Verbundquerschnittslösungen (siehe Bild 3) nach
DIN-Fachbericht dimensioniert und mit einem Standard-Spannbetonhohlkasten verglichen.
Auf Basis der ermittelten Massen wurden von Praktikern die Preiskalkulationen der verschiedenen Typen
durchgeführt. Ein Vergleich der Baukosten zeigt hierbei, dass die Verbundvariante Typ 2, mit Stahlträgern
und mittels Schalwagen hergestellte Ortbetonplatte die günstigste Variante darstellt.
Vergleicht man die Bauzeiten, zeigt es sich, dass die Querschnittstypen 1 und 2 weit hinter der Variante
3 und 4 liegen. Dies beruht auf dem notwendigen Einsatz eines Schalwagens. Bei den Varianten 3 und 4
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Fahrzeug
Auto
LKW – leicht
LKW – schwer
Sattelzug
Bus
Betriebskosten
[€ / (100km · Fahrzeug)]
8.7
11.2
15.8
23.2
43.6
Typ
Unfallrate
Unfalkostenrate
Kostenrate
Schaden
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kann durch das Auflegen von Betonfertigteilen direkt aufbetoniert werden, durch die Verwendung von
Fertigteilverbundträger kann direkt auf die eingehobenen Träger betoniert werden, was zu einer Zeitreduzierung
von ca. 30% führt.
a) Typ 1: Fertigteilverbundträger mit Ortbetonplatte,
Schlankheit l/h=20: 719 €/m²
c) Typ 3: Stahlträger mit Betonfertigteilen und Ortbetonplatte,
Schlankheit l/h=20: 671 €/m²
b) Typ 2: Stahlträger mit Ortbetonplatte, Schlankheit
l/h=20: 577 €/m²
d) Typ 4: Fertigteilverbundträger mit Aufbetonplatte,
Schlankheit l/h=20: 928 €/m²
Bild 3: Varianten der untersuchten Verbundbrückenquerschnitte – Brückenstützweite 45 m, Kosten für den
Rohüberbau in €/m², Basis Jahr 2005
2 Bewertungsmethoden für die Berechnung der Kosteneffizienz
2.1 Empfehlungen für Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Straßen EWS [3]
Die sog. EWS bildet eine Grundlage für eine volkswirtschaftliche Beurteilung und einen Variantenvergleich
von Straßenbauinvestitionen nach einheitlichen Grundsätzen. Der Kern der Empfehlungen bildet
hierbei die Bewertung und Untersuchung des Nutzens einer Maßnahme. Als Kosten werden die zusätzlichen
Kosten der Baulast infolge einer Straßenbauinvestition definiert. Alle Maßnahmen, die nicht in den
oben aufgeführten Kosten enthalten sind, werden als Nutzen bezeichnet. Sie können sowohl positiv (als
Gewinn) wie auch negativ (als Verlust) mit in die Rechnung aufgenommen werden. In der EWS werden
nur die Nutzen betrachtet, die quantifizierbar und monetär erfasst werden können, wie z.B.
a) die Veränderung der Betriebskosten: Durch Investitionen und Änderungen des Straßenraums entstehen
Veränderungen bei der Fahrtroute, -zeit und -geschwindigkeit. Wenn nun die gleichen Fahrten mit
geringeren Kraftfahrzeugsbetriebskosten durchgeführt werden können, ergibt sich ein volkswirtschaftlicher
Nutzen in Höhe der Betriebskosteneinsparung, siehe Tabelle 1a.
b) die Veränderung des Unfallgeschehens: Der bauliche Zustand von Straßen beeinflusst ebenso wie die
Verkehrssituation das Unfallgeschehen. Durch Verbesserungen der Situation nehmen die Unfallzahlen
ab, die gleichzeitig zu einer Minderung der Personen- und Sachschäden führen, die wiederum quantifiziert
werden können, siehe Tabelle 1b.
Tabelle 1a und 1b: Angenommene Betriebskosten und Unfallkosten
Sachschaden
Personenschaden
Sachschaden
Personenschaden
[Unfälle / 1 Mio. Fahrzeuge]
[Unfälle / 1 Mio. Fahrzeuge]
[1000 € / Unfall]
[1000 € / Unfall]
[€ / 1000 Fahrzeuge · km]
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Wert
0,619
0,147
8,1
85
17,5

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2.2 Richtlinie zur Durchführung von Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen im Rahmen von Instandsetzungs-/Erneuerungsmaßnahmen
bei Straßenbrücken Ri-Wi-Brü [4]
Die „Richtlinie zur Durchführung von Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen im Rahmen von Instandsetzungs-/Erneuerungsmaßnahmen
bei Straßenbrücken“ – nachfolgend als Ri-Wi-Brü bezeichnet - befasst
sich mit der wirtschaftlichen Beurteilung von Erhaltungsmaßnahmen bei Straßenbrücken. Ziel der Richtlinie
ist es, durch die Untersuchung der verschiedenen Varianten Entscheidungshilfen zu geben. Zur Bestimmung
der Wirtschaftlichkeit der zu untersuchenden Varianten werden alle anfallenden Kosten zusammengerechnet.
Die Baukosten einer Einzelmaßnahme setzen sich hierbei aus den reinen Baukosten
(Instandsetzungs- oder Erneuerungskosten), den Kosten für Abbruch, Behelfe, Betriebserschwernisse
und Verkehrsführung sowie den Verwaltungskosten zusammen. Unter der Berücksichtigung des Zeitpunktes
der Maßnahmen und damit verbundenen Auszahlungen wird über eine Kapitalwertmethode die
für einen festgelegten Bezugszeitpunkt (z.B. der Gegenwart) die erforderlichen Gesamtinvestitionskosten
berechnet. Entsprechend werden Zahlungen, die infolge späterer Maßnahmen erst in der Zukunft getätigt
werden, mittels eines Zinsfaktors abgezinst. Aus allen Zahlungen innerhalb des festgelegten Bewertungszeitraumes
wird somit die Gesamtsumme gebildet, die für die verschiedenen Varianten verglichen
wird.
Bei der Auswahl der optimalen Variante sind das Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung und die
Bewertung der sog. „nichtmonetären Aspekte“ gleichermaßen zu berücksichtigen. Somit sind für alle Varianten
auch alle Faktoren mit einzubeziehen, die nicht durch Kostenansätze direkt ermittelt werden können,
aber dennoch für die Varianten und deren Auswirkungen erheblich auf die Entscheidung Einfluss
nehmen können. Diese „nichtmonetären Aspekte“ sind in [4] in einer Beurteilungsmatrix zusammengefasst
und beinhalten folgende Kriterien:
- Ingenieurbau (Verkehrssicherheit, Dauerhaftigkeit und Gestaltung)
- Verkehrsplanung (Beurteilung der Verkehrsführung, Leistungsfähigkeit, Lärm- und Umweltschutz)
- Durchführbarkeit (Bau- und Planungsrecht, Grunderwerb, Haushalt und Bauzeit)
3 Beispielrechnung für Brückenbewertung
3.1 Ü-Bauwerk: EWS [3]
Die hier vorgestellte und untersuchte Berechnung bezieht sich auf die BAB A 8 nördlich des Homburger
Kreuzes im Rhein-Main-Gebiet (Hessen) [5]. Das Verkehrsaufkommen liegt hier bei ca. 100.00 Kfz/Tag
mit einer durchschnittlichen Stauzeit von insgesamt 2 h pro Wochentag während der Berufsverkehrszeiten.
Der Anteil der Kfz während des Berufsverkehrs kann mit ca. 20 % des gesamten Verkehrsaufkommens
angenommen werden.
Infolge der Berücksichtigung der Mehrkosten für Betrieb und dem erhöhten Unfallrisiko werden für das
Untersuchungsgebiet die Herstellkosten mit den Zusatzkosten infolge der Baumaßnahme zusammengefasst
und für die verschiedenen Varianten an Überführungsbauwerken miteinander verglichen, siehe Tabelle
2.
Durch das erhöhte Verkehrsaufkommen und vor allem die längeren Stauzeiten wirkt sich hier eine Bauzeitenverlängerung
viel stärker bei den Mehrkosten durch Fahrt- und Betriebskosten aus, so dass die
Betriebskosten durch die Zeitverzögerung mit fast 400 T€ pro Tag angesetzt werden können. Durch die
erhöhte Unfallgefahr steigt der Anteil der Unfallkosten an den Herstellkosten der Brücke leicht an. Werden
die Gesamtsummen miteinander verglichen, so erscheint die Verbundbrücke als die wirtschaftlichste
Bauweise, da durch die verkürzte Bauzeit (Reduktion von 21 auf 14 Wochen) die sozio-ökonomischen
Kosten am geringsten gehalten werden können. Bemerkenswert für diesen Berechnungsansatz ist, dass
die entstandenen Mehrkosten ein Vielfaches der eigentlichen Herstellkosten ausmachen und damit die
Baukosten an sich keinerlei entscheidende Rolle mehr bei diesem Wirtschaftlichkeitsvergleich spielen.
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Tabelle 2: Wirtschaftlichkeitsuntersuchung mittels EWS - Überführungsbauwerk
Betonkonstuktion Betonkonstuktion
(Ortbeton) (vorgefertigt)
Baukosten
[€] 780.000
780.000
Verhältnis Baukosten
Betriebs-/Fahrtkosten
Unfallkosten
Gesamtkosten (incl. sozioökonomischer
Kosten)
Verhältnis der Gesamtkosten
3.2 A-Bauwerk: Ri-Wi-Brü [4]
[%]
[€]
[€]
[€]
[%]
80
41.990.025
368.219
43.138.244
100
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80
29.992.875
263.014
31.035.889
72
Verbundkonstruktion
976.800
100
27.993.360
245.479
29.215.639
Das Beispiel ist für einen Berechnungszeitraum von 120 Jahren ausgeführt. Es werden nach der Hälfte
des Zeitraums eine Sanierung der Fahrbahnplatte bei Verbundbrücken und eine Erneuerung des Brückenüberbaus
bei Massivbrücken angesetzt. Eine Schwäche des Verfahrens ist zurzeit, dass für die Unterhaltskosten
nur sehr pauschale Richtwerte vorliegen, so sind die Unterhaltskosten für Verbund- wie
auch Massivbrücken mit 1,1 % /Jahr der Herstellkosten berechnet. Die kapitalisierten Restkosten sind
infolge einer vollständigen Abschreibung über die Lebensdauer der Überbauten mit einem Wertansatz
von Null nicht zu berücksichtigen.
Die kapitalisierten Kosten weisen die Massivbrücke und den Verbundbrückentyp 2 als günstigste Varianten
aus. Die restlichen Verbundbrückenvarianten liegen mit 14 – 49 % deutlich darüber, siehe nachfolgende
Abbildung.
Bild 4: Kapitalisierte Kosten nach Ri-Wi-Brü [4]
800.000 €
700.000 €
600.000 €
500.000 €
400.000 €
300.000 €
200.000 €
100.000 €
0 €
Baukosten kapitalisierte Erstmaßnahme
kapitalisierte Zweitmaßnahme kapitaliserte Unterhaltskosten
kapitalisierter Restwert Summe
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Beton
68

4 Zusammenfassung
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Anhand der Untersuchung zeigte sich, dass eine reine Berücksichtigung der Herstellkosten ohne Einbezug
der Bauzeiten, Bauverfahren und Konstruktionsart nicht ausreichend für einen objektiven Vergleich
der Wirtschaftlichkeit eines Brückenbauwerkes ist. Die Kosten sind über den gesamten Lebenszyklus
einer Brücke zu ermitteln, um besser vergleichen zu können. Die Bewertung sollte berücksichtigen, dass
in Abhängigkeit von der Verkehrsdichte durch Beschleunigung der Bauzeit erhebliche sozio-ökonomische
Kosten eingespart werden können. Unter konsequenter Berücksichtigung dieser Kosten bei der Beurteilung
können gerade bei Baumaßnahmen im Neubau teurere Bauverfahren und Bauweisen sich sehr
schnell rechnen.
Das vorliegende Gutachten zeigt, dass durch den Ansatz ganzheitlicher Betrachtungen von Bau- und
Unterhaltskosten Verbundkonstruktionen im Brückenbau weitaus konkurrenzfähiger sind als bei alleiniger
Betrachtung der Herstellkosten. Auch im Sinne der Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit sollte das
Ziel somit sein, alle mit der Herstellung, Nutzung und Unterhalt einer Brücke verbundenen Kosten zu berücksichtigen
und in eine Bewertung mit einzubeziehen.
5 Literatur
[1] Kuhlmann, U., Pelke, E., Hauf, G., Herrmann, T., Steiner, J., Aul, M.: Ganzheitliche Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
bei Verbundbrücken unter Berücksichtigung des Bauverfahrens und der Nutzungsdauer,
Stahlbau 76, Ausgabe 2, Seite 105-116, 2007.
[2] Kuhlmann, U., Hauf, G., Steiner, J., Aul, M.: Bewertung von Bauverfahren für Stahlverbundbrücken,
Gutachten für das Hessische Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen, Wiesbaden,
2006.
[3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Empfehlungen für Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen
an Straßen EWS (Entwurf) – Aktualisierung der RAS-W 86, Ausgabe 1997, FGSV
Verlag, Köln, 1997.
[4] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen: Richtlinie zur Durchführung von Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen
im Rahmen von Instandsetzungs-/Erneuerungsmaßnahmen bei
Straßenbrücken, Ausgabe 2004.
[5] Verkehrszentrale Hessen: Durchschnittlicher Täglicher Verkehr 2002 / 2003, Hessisches Landesamt
für Straßen- und Verkehrswesen, Wiesbaden, Daten über Verkehrsstärken wurden uns
vom HLSV zur Verfügung gestellt.
[6] Bundesministerium für Verkehr: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 7/1990, Sachgebiet
17: Vertrags- und Verdingungswesen: „Vertretbare Mehrkosten“.
[7] Bundesministerium für Verkehr: Richtlinien für die Berechung der Ablösebeträge der Erhaltungskosten
für Brücken und sonstige Ingenieurbauwerke, Ausgabe 1980.
[8] Hauptverband der Deutschen Bauindustrie: Preisentwicklung ausgewählter Stahlprodukte in
Deutschland (Stand: Januar 2005), URL: http://www.bauindustrie.de.
[9] Doss, W., et al : VFT-Bauweise, Beton- und Stahlbetonbau 96 (2001), Heft 4, Verlag Ernst &
Sohn, Berlin, Seite 171-180.
[10] Allmeier, S., Frenzel, J., Schiefer, S., Seidl, G., Weber, J.: Innovationen im Verbundbrückenbau –
Talbrücke Oberhartmannsreuth, Stahlbau 69 (2000), Heft 9, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, Seite
707-713.
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