Mit nachhaltiger Infrastruktur zu höherer Klimaresilienz

• Viele US-amerikanische Infrastruktursysteme wurden einst auf die Demographie und das Klima des mittleren 20. Jahrhunderts ausgelegt und haben ihren Zenit schon vor langer Zeit überschritten
• Nachdem im US-Bundesstaat Pennsylvania die Autobahn Interstate 78 aufgrund einer schweren Überschwemmung gesperrt werden musste, geht die zuständige Verkehrsbehörde proaktiv gegen zukünftige klimabedingte Infrastrukturschäden vor
• Eine moderne, nachhaltige Infrastruktur bedarf digitaler Technologie: Cloud-gestützte Arbeitsabläufe, Prognose-Software, Autodesk AutoCAD, GIS-Kartenerstellungssysteme, Straßensensoren, die schnelle Umsetzung von Baumaßnahmen und eine digitale Projektbereitstellung können dabei helfen, den sich verändernden Bedingungen zu begegnen 

Am 4. August 2020 ging über Lehigh County im US-Bundesstaat Pennsylvania Starkregen mit einer Niederschlagsmenge von etwas mehr als 22 mm pro Stunde nieder und überflutete dabei einen tiefgelegenen Betonabschnitt der Autobahn Interstate 78 (kurz: I-78). Der Regen war das Resultat eines nassen Microburst – eines plötzlich auftretenden, schweren Fallbö mit wolkenbruchartigem Niederschlag, die sich nicht vorhersagen lässt, in den USA jedoch immer häufiger auftritt – und hatte stundenlange Straßensperren in östlicher Richtung sowie kilometerlange Staus zur Folge, da das Niederschlagswasser-System der Interstate diesem Wetterphänomen schlichtweg nicht gewachsen war. Auch die umliegenden Gemeinden sahen sich vorübergehend erheblichen Verkehrseinschränkungen gegenüber, bis die Reparaturarbeiten beendet waren.

„Wir müssen resilienter werden, damit wir auf vergleichbare Ereignisse in der Zukunft vorbereitet sind, wo wir es womöglich mit einem 500-jährlichen Hochwasser oder einem Jahrtausendhochwasser zu tun bekommen“, fordert Richard Runyen, leitender Brückeningenieur und Leiter der Abteilung für Brückenbau am Hauptsitz der Verkehrsbehörde von Pennsylvania PennDOT (Pennsylvania Department of Transportation) in Harrisburg, USA. „Langwierige Interstate-Sperrungen aufgrund von Straßen- oder Brückenschäden können wir uns nicht leisten.“

Diese Art von Problem beschränkt sich keineswegs nur auf Pennsylvania oder Niederschlagswasser-Systeme. Ganz im Gegenteil zeigt sich weltweit, dass Infrastruktur versagt: Dämme geben nach, Brücken stürzen ein, Gleise und Tunnel weisen Risse auf – viele Infrastruktursysteme, die einst auf die Demographie und das Klima des mittleren 20. Jahrhunderts ausgelegt wurden, haben ihren Zenit schon vor langer Zeit überschritten.

Entsprechend machen sich die Regierungen der Welt Gedanken, wie die vorhandenen Infrastruktursysteme weitere hundert Jahre und mehr überdauern können. Allein die USA stellen im Rahmen von Konjunkturpaketen umgerechnet etwa 3,3 Billionen Euro zur Verfügung, unter anderem für „Infrastruktur und Industrien der Zukunft – einschließlich sauberer Energie.“ Der Klimawandel beschleunigt den Verfall ohnehin schon maroder Bauwerke und führt zu Brückeneinstürzen, hitzebedingten Gleisverformungen, ausfallender Trinkwasserversorgung und aufbrechenden Straßen. Extreme Wetterereignisse haben gravierende Auswirkungen auf die Infrastruktur und komplette Transportsysteme.

Laut Runyen sind viele Probleme altersbedingt, denn die in den 1960er- und 1970er-Jahren (gelegentlich bezeichnet als „goldenes Zeitalter der Infrastruktur“) in den USA umgesetzten Bauprojekte basierten auf heute überholten Planungsmodellen und Konstruktionsstandards. Folglich müssen viele dieser Systeme nun instandgesetzt oder runderneuert werden – wie die Deiche, die durchschnittlich über 50 Jahre alt sind, oder die mehr als 70.000 von insgesamt 220.000 Brücken mit Modernisierungs- oder Neubaubedarf.

Das größere Übel sind jedoch laut Louis Feagans – seines Zeichens leitender Direktor der Abteilung für Systemleistung und Transportrichtlinien in der Verkehrsbehörde des US-Bundesstaats Indiana – die dramatischen Veränderungen, mit denen die Welt in den vergangenen 50 Jahren konfrontiert wurde, und die erschwerte Finanzierung der staatlichen Behörden: Viele US-Bundesstaaten sehen sich im verzweifelten Spagat, sowohl mit der technologischen Entwicklung Schritt halten als auch den Anforderungen an die Infrastruktur gerecht werden zu müssen.

Die heutigen Straßen, Highways und Brücken entstammen einer Zeit des Überflusses fossiler Brennstoffe, in der im Vergleich zu heute Pkws und Lkws einen viel höheren Kraftstoffverbrauch aufwiesen, deutlich weniger Pkws auf den Straßen unterwegs waren, Lkws weniger schwer beladen wurden, Niederschläge nicht so heftig ausfielen und kühlere Temperaturen vorherrschten.

Aus diesen Gründen müssen die bestehenden Infrastruktursysteme dringend unter nachhaltigen Gesichtspunkten modernisiert werden, um den Auswirkungen des Klimawandels gewachsen zu sein. „Es geht nicht einfach nur darum, ein Problem zu beheben“, macht Runyen deutlich, „sondern darum, die Lebensdauer dieser Strukturen zu verlängern. Manche sehen die Notwendigkeit nicht, da es ihnen aktuell völlig übertrieben erscheint. Dann versuchen wir ihnen klarzumachen, dass das in zwanzig Jahren alles andere als übertrieben sein wird. Darin besteht die Herausforderung.“

Daten und Modelle

Feagans zufolge liegt der Schlüssel zu einer modernen Infrastruktur in digitaler Technologie, die bei sich wandelnden Bedingungen kostengünstiges und standortspezifisches Handeln ermöglicht – genauer gesagt in Cloud-gestützter Arbeitsteilung, gemeinsam genutzten Datenumgebungen, BIM und digitalen Zwillingen, Software zur Prognosemodellierung, Autodesk AutoCAD, Kartenerstellung mittels geographischer Informationssysteme (GIS), Straßensensoren sowie schnell umsetzbaren Ansätzen für das Bauwesen in Form von beispielsweise Design for Manufacture and Assembly (DfMA).

In vielen Bundesstaaten ist der erste Schritt eine Bestandsaufnahme der vorhandenen Infrastruktur. Beamte in Indiana forderten etwa laut Feagans im Vorfeld einer 2017 vorgeschlagenen Benzinsteuer eine Auflistung der Anzahl und des Zustands aller Brücken, Fahrbahnen (inklusive jeweiliger Länge, angegeben als „Fahrbahnmeile“ bzw. Englisch „Lane Mile“) sowie der kleinen und großen Abzugskanäle.

Dieser Datenerhebung zufolge (alle Daten sind im zugehörigen Indiana Total Assets Management Systems Portal oder kurz iTAMS Portal einsehbar) verfügt Indiana über 29.043 Lane Miles, 5.763 Brücken, 8.858 große Abzugskanäle und 50.000 kleine Abzugskanäle. Zu jedem einzelnen Element sind in der Cloud Alter, Zustand und Standort abgespeichert. Wie sich gezeigt hat, führt ein ausführlicheres Wissen um den Bestand zu besseren Straßen: In den vergangenen fünf Jahren ist der prozentuale Anteil an Straßen in „schlechtem“ Zustand von 10 % auf 5 % und der entsprechende Anteil an Brücken von 5 % auf 3 % zurückgegangen.

„Vor acht, neun Jahren befanden sich noch nicht alle Daten gebündelt an einem Platz“, so Feagans. „Stattdessen lag ein Teil in Aktenschränken, ein anderer in Wartungssoftware und ein Großteil in Excel-Tabellen. Sie waren also weit verstreut. Deshalb bestand eine unserer ersten Maßnahmen darin, den Datenbestand in einer einzelnen Datenquelle zu zentralisieren und die Daten in ein GIS-basiertes Asset-Programm mit Schichtenarchitektur einzuspeisen, wo sie schnell abrufbar sind.“

Darüber hinaus hat die Verkehrsbehörde von Indiana INDOT (Indiana Department of Transportation) auf Datenmodellierung zurückgegriffen und vor Kurzem eine Studie zu Niederschlägen und Wasserläufen in Auftrag gegeben, um anhand von GIS-Daten der US-amerikanischen Kartographiebehörde US Geological Survey Hochwasserrisiken besser abschätzen zu können. Zudem hat das INDOT Verkehrsflüsse einer neuerlichen Analyse unterzogen und in die Modellierungssoftware dTIMS der Firma Deighton investiert. Dadurch lassen sich verschiedene Kostenszenarien für die Ausbesserung von Rohrleitungen, Brücken und Straßen in kurzer Zeit durchspielen.

Asset-Priorisierung und Risikobewertung

All diese Maßnahmen sollen auf lange Sicht für die Bereiche Entwurf, Ingenieurwesen, Planung und Hydrologie sowie für Asset Owner die erforderlichen Daten liefern, um Risiken angemessen bewerten zu können und in Zukunft resilientere Entwürfe zu erstellen.

Vorerst geht es jedoch primär um die Entwicklung von besseren Methoden, die eine weitere Nutzung der vorhandenen Infrastruktur ermöglichen. Laut Runyen gibt es von der US-Oberbehörde für Fernverkehrsstraßen FHA (Federal Highway Administration) eine klare Vorgabe: „Wenn kein kompletter Neubau erforderlich ist, noch einmal hinsetzen und alle Optionen durchgehen. Genau darauf liegt aktuell unser Fokus.“

Im Infrastruktur-Gesamtbudget des PennDOT von umgerechnet mehr als 9,3 Milliarden Euro sind gerade einmal etwa 2,6 Milliarden Euro für Neubauten vorgesehen. Im Hinblick auf die Instandhaltung und Sanierung wiederum gibt es technologische Lösungen, die aussagekräftige Informationen für die Asset-Priorisierung und geeignete Notfallmaßnahmen bereitstellen. Dadurch lässt sich unter anderem feststellen, auf welchen Straßen der meiste Verkehr herrscht, welche Verkehrswege als Zugänge zu Schulen, Krankenhäusern und Stromkraftwerken fungieren und welche Kosten während der Dauer eines Projekts anfallen.

„Nicht jede Brücke muss resilient gebaut werden“, meint Runyen. „Doch wir haben einige Schlüsselbauwerke, auf die wir nicht alle paar Jahre aufgrund von Überschwemmungen verzichten können. Dort zahlen sich entsprechende Investitionen wirklich aus.“

Ein Beispiel für die Asset-Priorisierung aus der Praxis ist die Brückeninstandsetzung, insbesondere nach einem Microburst. Die Software-Lösung BridgeWatch liefert detaillierte Informationen dazu, wo gerade schwere Regenfälle niedergehen, wodurch Einsatzteams schneller ausrücken können. „Das Tool hilft uns, entsprechend zu reagieren und rechtzeitig am richtigen Ort zu sein“, bestätigt Runyen.

Mittels Analysen kann der Bundesstaat proaktiv handeln und zum Beispiel Wasserläufe umleiten, bevor sie anfällige Brückenpfeiler erreichen, im Boden verlegte Rohrleitungssysteme modernisieren oder Sedimentablagerungen beseitigen. „Wir wagen eine Art Blick in die Zukunft“, meint Runyen. „Letzten Endes ist das auch notwendig: Wir müssen uns auf das Unbekannte vorbereiten.“

Das INDOT mit einem Gesamtbudget von umgerechnet etwa 4 Millionen Euro hat für die Instandhaltung von Straßenoberbauten Strategien für Lebenszyklus-Zeiträume von zwölf und von zwanzig Jahren ausgearbeitet: Weniger aufwändige Ausbesserungsarbeiten wie der Verschluss von Rissen und die Beseitigung von Schlaglöchern sind in den ersten Jahren angedacht, während umfangreichere Arbeiten wie das Aufbringen einer neuen Asphaltdeckschicht zum Ende des jeweiligen Zeitraums erfolgen sollen. Auf ähnliche Weise verlängern auch Investitionen in Brücken- und Abzugskanalsanierungen die Lebensdauer vorhandener Bauwerke zu verhältnismäßig geringen Kosten.

Feagans sieht bei den Protokollen für die vorbeugende Instandhaltung Ähnlichkeiten zu regelmäßigen Pkw-Wartungen: „Ohne Ölwechsel und Reifenrotation sind Probleme vorprogrammiert.“

Zukunftssicheres Bauen

Es kommt der Punkt, an dem eine Sanierung sich nicht mehr rechnet. Derzeit sind Mitarbeitende der Bereiche Planung, Hydrologie, Entwurf und Ingenieurwesen bemüht, frühere Prognosen zu extremen Wetterereignissen zu überarbeiten, um sich auf die im Zuge des Klimawandels zu erwartenden Veränderungen und stärkeren Niederschläge vorbereiten zu können. Infrastruktursysteme müssen künftig in der Lage sein, umfangreiche Schäden zu kompensieren, damit Straßensperrungen und vor allem Todesfälle vermieden werden. Traditionell sind Auffangsysteme für Niederschlagswasser auf 50-jährliche Hochwasser ausgerichtet, zukünftig müssen sie aber voraussichtlich für stärkere 500-jährliche Hochwasser gewappnet sein.

„Wir haben es nicht länger mit einem überschaubaren kleinen Aufwärtstrend der [Klimawandel-]Kurve zu tun, sondern mit einem rasanten Anstieg“, warnt Runyen weiter. „Wir dürfen uns da nichts vormachen: Die Situation wird sich exponentiell schnell verändern.“

Auf Resilienz bedachte Entwurfsstrategien berücksichtigen neben widerstandsfähigeren Materialien auch Optionen wie das Anheben von Straßen und Brücken, den Bau von Straßen in größerem Abstand zu Wasserläufen und eine veränderte Anordnung oder Gestaltung struktureller Elemente.

Neue Methoden zur Modellierung und Prüfung von Materialstärken befinden sich bereits in Entwicklung. Das INDOT evaluiert derzeit in Zusammenarbeit mit der in West Lafayette in Indiana gelegenen Purdue University Sensoren, mit denen sich erkennen lässt, wann Beton die den jeweiligen Anforderungen genügende Festigkeit erreicht hat. Vom Bundesstaat Indiana beauftragte Ingenieursteams prüfen darüber hinaus mittels Fallgewichtsgeräten die Elastizität verschiedener Straßenoberbauten, um deren jeweilige Schwerlastresilienz zu ermitteln.

An Methoden, um der Erosion von Dämmen und Deichen Einhalt zu gebieten, wird ebenfalls aktiv geforscht. So hat das PennDOT Forschende der Lehigh University hinzugezogen, um Hinterfüllungstechniken zum Schutz von brückennahen Verkehrswegen, bei denen ein Auswaschungsrisiko besteht, auszuwerten. Eine dieser Techniken setzt auf eine Verstärkung aus grobkörnigem Material, Gestein als Füllmaterial und geosynthetischen Dichtungsbahnen hinter den Widerlagern der Brücke. Die eng gebundene Matrix fixiert das Hinterfüllungsmaterial und gewährleistet damit die Funktionsfähigkeit der Straße bei einem Hochwasser sowie kurz danach.

„Wenn Sie nach Italien und dort auf Venedig schauen, entdecken Sie diese riesigen Betonelemente, die zum Schutz vor Springtiden dienen“, erläutert Runyen. „Dabei geht es darum, Energie aufzunehmen und das Wasser von den empfindlichen Fundamenten fernzuhalten. Erreicht das Hochwasser jedoch einen bestimmten Pegel, werden diese Schutzelemente nach und nach fortgespült. Deshalb haben wir unterschiedliche Materialien für eine Art Matrix erforscht, die einerseits länger an Ort und Stelle verbleibt, andererseits aber auch die Umwelt schont.“

Finanzierungsgelder im Zuge des Infrastructure Investment and Jobs Act, einem US-Gesetz für Investitionen und die Schaffung von Arbeitsplätzen im Bereich Infrastruktur, könnten derartige Forschungsbemühungen weiter vorantreiben. Teil dieses Gesetzes ist das PROTECT-Programm zur Unterstützung der Resilienzplanung für den Landverkehr, in dessen Rahmen der Bundesstaat Indiana erst kürzlich staatliche Fördermittel in Höhe von umgerechnet etwa 560.000 Euro erhalten hat und aus dem das PennDOT jährliche Fördermittel von umgerechnet etwa 46,6 Millionen Euro einplant.

„Je umfangreicher Organisationen auf fortschrittliche digitale Tools und Arbeitsabläufe setzen, desto besser sind sie in der Lage, den mit dem Klimawandel und Extremwetter verbundenen Herausforderungen entgegenzutreten, die Lebensdauer von Bestandsbauten zu verlängern und sich zukunftssicher aufzustellen.“—Richard Runyen, PennDOT

Sowohl für Pennsylvania als auch Indiana ist es noch ein weiter Weg, bis sie die positiven Langzeiteffekte in Bezug auf Kosten, Energie, Menschenleben und Kohlenstoffemissionen prognostizieren können, denn es braucht Zeit, neue Brücken- und Straßenentwürfe sowie Materialien zu prüfen oder Richtlinien für resiliente Assets zu entwickeln. Doch laut Runyen ist es höchste Zeit dafür.

„Das Ingenieurwesen muss seine Komfortzone verlassen“, sagt er. „Das Thema Resilienz setzt uns unter echten Druck, unsere für das Heute konzipierten Entwürfe zu überdenken. Das bedeutet nichts anderes, als das Resilienz und Technologieoptimierung Hand in Hand gehen müssen: Je umfangreicher Organisationen auf fortschrittliche digitale Tools und Arbeitsabläufe setzen, desto besser sind sie in der Lage, den mit dem Klimawandel und Extremwetter verbundenen Herausforderungen entgegenzutreten, die Lebensdauer von Bestandsbauten zu verlängern und sich zukunftssicher aufzustellen.“