Wirtschaftliche und ökologische Bewertung chloridbelasteter Brückenbauteile

1 Einleitung

Frühzeitige Schäden an Brückenbauwerken infolge chloridinduzierter Bewehrungskorrosion führen zu hohen Instandsetzungskosten und erheblichen Verkehrseinschränkungen. Besonders betroffen sind Bauteile mit direkter Exposition gegenüber Tausalzen, wie Brückenkappen oder auch Brückenmittelpfeiler im Streubereich der überführten Verkehrswege. Ihre Sanierung verursacht nicht nur hohe Kosten, sondern auch erhebliche Verkehrsbehinderungen. Im Rahmen einer Studie wurden daher die ökologischen und wirtschaftlichen Effekte verschiedener Bewehrungsvarianten – konventioneller Betonstahl (B500B) und ferritischer nichtrostender Betonstahl „Top12“ (1.4003) – untersucht und darauf aufbauend Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit gemeinsam betrachtet [1], [2], [3].

2 Methodik

Die Analyse basiert auf zwei komplementären Ansätzen: der Lebenszykluskostenanalyse (Life Cycle Cost Analysis – LCCA) gemäß den Grundsätzen der RAB-LCCA (Regulated Asset Base LCCA, vgl. [4]) und der Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA) nach DIN EN 15804:2022-03 [5].

Zunächst wurden für die betrachteten Bauteilvarianten vollprobabilistische Dauerhaftigkeitsbemessungen nach fib 76 [6] durchgeführt. Aus der Dauerhaftigkeitsbemessung (Einleitungsphase) und einer angenommenen, in der Praxis üblichen Zeitspanne aktiver Korrosion (Zerstörungsphase) bis zum Instandsetzungszeitpunkt, wird das Zeitintervall bis zur Instandsetzung (Instandsetzungsintervall) ermittelt. Daraus ergibt sich die über die anvisierte Nutzungsdauer (z.B. 100 Jahre) erforderliche Anzahl an Instandsetzungen.

Mit Kenntnis der aus Erstherstellung und Instandsetzungen während der anvisierten Nutzungsdauer resultierenden Baumaßnahmen können dann die Lebenszykluskosten (LCC) ermittelt und eine Ökobilanz (LCA) aufgestellt werden.

Abb. 1 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Dauerhaftigkeitsbemessung, LCC und LCA. Der zusätzliche Material- und Arbeitsaufwand der Instandsetzungen schlägt sich in einem Anstieg der Lebenszykluskosten LCC (€) sowie der Umweltwirkung GWP (Global Warming Potential = äquivalente CO₂-Emissionen) gegenüber der initialen Herstellung (Erstherstellung) nieder. Durch den Vergleich unterschiedlicher Bauteilvarianten lässt sich diejenige identifizieren, die über den gesamten betrachteten Lebenszyklus den jeweils geringeren ökonomischen und ökologischen Gesamtaufwand erfordert.

1 Schematischer Aufbau der kombinierten LCC- und LCA-Betrachtung der Stahlbetonbauteile
© Schießl-Pecka et al; [1]

Das in Abb. 1 beschriebene Vorgehen wurde für Bauteile mit starker Chloridexposition: Brückenkappen (Nutzungsdauer 50 Jahre) und Mittelpfeiler (Nutzungsdauer 100 Jahre) angewandt. Betrachtet wurde immer eine Standardvariante mit konventionellem Bewehrungsstahl und eine Variante mit Top12-Stahl. Bei Ausführung in der Standardvariante mit B500B sind im Zuge der Nutzung Instandsetzungen (Brückenmittelpfeiler) bzw. bei manchen Bauteilen ein Komplettaustausch (Brückenkappe) erforderlich. Bei der Vergleichsvariante mit Top12 kann aufgrund des hohen Korrosionswiderstandes des Bewehrungsstahls auf Instandhaltungsmaßnahmen verzichtet werden. Für alle Varianten wurden Herstellung, Instandsetzung und Erneuerung über den Betrachtungszeitraum bilanziert. Der Einfluss von Verkehrseinschränkungen wurde berücksichtigt.

Bei der Ökobilanzierung wurden in der Sachbilanz folgende Prozesse berücksichtigt:

Herstellung der Standardvariante mit B500B (Zeitpunkt t = 0 Jahre),

Standardvariante mit B500B einschließlich erforderlicher Instandsetzungsaufwendungen (Zeitpunkt t = Nutzungsdauer),

Vergleichsvariante mit Top12 (Zeitpunkt 0 Jahre ≤ t ≤ Nutzungsdauer) – Instandsetzungsaufwendungen sind nicht erforderlich.

Variantenübergreifend wurden verglichen:

GWP, d. h. Emissionen aus Erstherstellung und Nutzung des Bauteils, vgl. Abb 2

GWP_add, d. h. Emissionen, die zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit über die Erstherstellung der Standardvariante hinaus erforderlich sind, vgl. Abb. 2

LCC_add, d. h. Lebenszykluskosten, die zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit über die Erstherstellung der Standardvariante hinaus erforderlich sind.

3 Ergebnisse – Brückenkappe

Die Brückenkappe gilt aufgrund ihrer Lage und Geometrie als besonders chloridbelastetes Bauteil. Im Verlauf der Nutzungsdauer wird bei der Brückenkappe in der Standardausführung aufgrund von chloridinduzierter Korrosion ein zweimaliger Austausch angesetzt. Die Ergebnisse der Ökobilanzierung sind in Tabelle 1 jeweils bezogen auf die Standardvariante zum Zeitpunkt t = 50 a dargestellt.

2 Variantenvergleich GWP und GWP_add in der LCA-Betrachtung (exemplarisch)
© Schießl-Pecka et al; [1]

In der Ökobilanz (LCA) liegt das GWP der Erstherstellung (t = 0 a) bei Top12 höher als bei B500B. Über die gesamte Nutzungsdauer kehrt sich dieses Verhältnis jedoch aufgrund der Instandsetzungen und den daraus resultierenden CO2-Emissionen bei Verwendung von Top12 um. Am Ende der Nutzungsdauer liegt das GWP der Top12-Variante bei rund 70 % der Standardvariante. Die für die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit relevanten Emissionen (GWP_add) betragen zum Ende der Nutzungsdauer bei der Top12-Variante rund 57 % der Emissionen der Standardvariante. Unter Berücksichtigung der Stauemissionen während erforderlicher Instandsetzungen sinkt dieser Verhältniswert weiter auf rund 30 %. Im Vergleich dazu fällt die Lebenszykluskostenbilanz (LCCA) der Top12-Variante noch günstiger aus. LCC_add der Top12-Variante betragen nur rund 5 % der LCC_add der Standardvariante.

4 Ergebnisse – Brückenmittelpfeiler

Mittelpfeiler im Spritzwasserbereich von überführten Straßen sind ebenfalls stark chloridbelastet. In der vorliegenden Studie wurde im Verlauf der Nutzungsdauer bei der Standardvariante eine einmalige Betoninstandsetzung (Betonabtrag und Reprofilierung) zugrunde gelegt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 jeweils bezogen auf die Standardvariante zum Zeitpunkt t = 100 a dargestellt. Aufgrund des hohen Bewehrungsgehaltes und der nur einmal erforderlichen Instandsetzung im Lebenszyklus werden in der Ökobilanz (LCA) die zusätzlichen Emissionen aus der Bereitstellung des Top12-Stahls nur bei Berücksichtigung von Stau an Instandsetzungsbaustellen kompensiert. Eine partielle Substitution der äußeren Bewehrungslagen durch Top12 (≈ 50 % Top12) kann bereits ohne Berücksichtigung des Staueffekts zu einer positiven Gesamtbilanz führen. In der Lebenszykluskostenanalyse (LCCA) zeigt sich die Variante mit Top12-Stahl analog den Kappen deutlich wirtschaftlicher als die Standardvariante.

5 Diskussion und Ausblick

Die kombinierten Ergebnisse der Lebenszykluskosten- und Ökobilanzanalyse verdeutlichen, dass die Bewertung von Instandsetzungszyklen und Verkehrseinschränkungen infolge von Instandsetzungsmaßnahmen entscheidend für die Ökobilanzbilanz (GWP) von Brückenbauteilen ist. Während konventionelle Bauweisen durch wiederkehrende Erneuerungsmaßnahmen hohe Folgekosten und CO₂-Emissionen verursachen, ermöglichen nichtrostende Bewehrungsmaterialien eine deutliche Reduktion beider Kenngrößen. Unter den hier betrachteten Randbedingungen zeigen die Berechnungen für Brückenkappen und Brückenmittelpfeiler mit Top12 eine Reduktion der Lebenszykluskosten um 90 bis 95 % sowie unter Berücksichtigung von Mehremissionen durch Verkehr eine Senkung des Global Warming Potentials um bis zu 70 %. Die Reduktionen beziehen sich immer auf die zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit erforderlichen Mehraufwendungen gegenüber der Neubauvariante.

Für Betreibende und Planende ergibt sich daraus ein klarer Handlungsansatz: Die Integration von Lebenszyklusanalysen (LCCA + LCA) in die Entscheidungsprozesse liefert belastbare Grundlagen für nachhaltige Investitionen in die Verkehrsinfrastruktur. Besonders in Bereichen mit hoher Chloridbelastung und verkehrlicher Relevanz ist der Einsatz nichtrostender Bewehrungen wirtschaftlich und klimapolitisch sinnvoll.