Das Leben ist eine Zick-Zack-Linie aus Widerständen, Lasten und Unsicherheiten – Prognose hoffentlich gut!
Wir wissen heute schon sehr viel über den Zustand unserer Verkehrsinfrastruktur. Zyklische Inspektionen, Einsatz von Messtechnik und bildgebenden Verfahren, große Datenbanken und immer komplexere Softwarelösungen machen das möglich! Doch hätten wir nun gern auch eine Glaskugel, die uns möglichst genau zeigt, wie lange alles hält und was die Zukunft bringt. Mathematisch lässt sich eine solche Glaskugel als Lebenszykluskurve darstellen.
Lebenszykluskurven im Erhaltungsmanagement
Eine Lebensdauerkurve (auch Alterungs- oder Zustandskurve) scheint eine unzulässige Vereinfachung der komplexen Realität zu sein… doch mit Hilfe von vorhandenen und neu erhobenen Daten lässt sie sich Schritt für Schritt mit Inhalten füllen. Diese regelbasierten Ansätze führen nicht immer zu absoluten Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer der betrachteten Infrastrukturen, liefern jedoch gute relative Aussagen zur Netzentwicklung und zu Trends, was sie für mittel- und langfristige Planungszyklen sehr nützlich macht.
Der Anfangspunkt der Kurve wird durch den Ist-Zustand beschrieben, das Ende beschreibt im einfachsten Fall Versagenszustand und Zeitpunkt bei Nichteingreifen. Der Kurvenverlauf wird durch eine Vielzahl von Parametern über den gesamten Lebenszyklus bestimmt. Erhaltungsmaßnahmen beispielsweise führen zu sprunghaften Zustandsverbesserungen.
Die Unsicherheit wird maßgeblich bestimmt durch die Datenqualität… Wissen ist besser als Annehmen ist besser als Hoffen…
Bei Betrachtungen auf der Netzebene ist die Anzahl der Parameter darüber hinaus so groß, dass die sich ergebenden Unsicherheiten keine große Aussagekraft mehr zulassen.
Wir zerlegen daher unser Infrastrukturnetz in Teile, deren Lebenszyklusbeschreibung nachvollziehbar und berechenbar ist – Korridore in Straßen und Brücken, Straßen in Abschnitte, Bauweisen und Ebenen (Schichten), Brücken in funktional zusammenwirkende Strukturbestandteile und Komponenten. Für alle betrachteten kleinsten Bestandteile benötigen wir dann jeweils eine Lebenszykluskurve.
Der Startpunkt – digitale Zustandserfassung und -Dokumentation sind Pflicht!
In der Regel liegen Zustandsinformationen zu den Straßen und Brücken vor (ZEB, SIB-BW).
Eine der Herausforderungen bei Straßen liegt in der Dynamik der Zustandsveränderung. Die der Zustandsinformation für die Straße zugrundeliegende Zustandserfassung (Befahrung) liegt nicht selten länger als ein Jahr zurück. Hinzu kommt, dass sich die Zustandsaussage auf die Oberfläche bezieht. Der Zustand tiefer liegender Schichten ist nur selten und nicht flächendeckend bekannt, oft ist nicht mal der Aufbau bekannt. Hier helfen alte (und idealerweise bereits digitalisierte) Bauunterlagen und Luftaufnahmen, bessere Informationen liefern Bohrkerne.
Bei den Brücken gibt es verschiedene Zustandskennwerte mit unterschiedlicher Aussagekraft (Teil- und Gesamtnoten, Traglastindex, Substanzkennzahl). Es können auch Zustandsinformationen aus Messsystemen hinzukommen (zum Beispiel Lager). Sie können verwendet werden, wenn Sie so normiert werden, dass sie in das übergeordnete Kennzahlensystem eingebunden werden können. Neuere Ansätze von „Geburtszertifikaten“ (Nullmessungen) im Rahmen der Bauabnahme verbessern die Zustandsaussage bei Neubauten so wie es die Ergebnisse von Nachrechnungen bei Bestandsbauwerken tun.
Die Lebensdauer als Wechselwirkung von Widerstand und Einwirkungen
Die Lebensdauer wird bestimmt durch das Zusammenwirken von Tragwiderstand und Einwirkungen.
Sowohl das Nachlassen des Widerstandes (beispielsweise durch Alterung) als auch die Vergrößerung der Einwirkungen (zum Beispiel durch Zunahme des Schwerverkehrs) führen zur Beschleunigung der Alterung, also zu größerem negativem Anstieg und stärkere Krümmung unserer Lebenszykluskurve.
Dabei sind auf der Widerstandsseite neben vielen Betriebsparametern auch Herstellungsinformationen und Planungsannahmen von Bedeutung. So ist die in Abhängigkeit von der Belastungsklasse gewählte Bauweise einer Straße ein wichtiger Aspekt für die Alterungsgeschwindigkeit. Auch die verwendeten Materialien, die Herstellungsbedingungen (zum Beispiel Verarbeitungstemperatur und -geschwindigkeit des Asphalts) sowie die Bauausführung (Verbindungsstellen, nahtlose Verlegung etc.) beeinflussen die Lebensdauer.
Zu den wesentlichen Einwirkungen gehören der Verkehr (Menge, Zusammensetzung, Spitzenlasten), das Wetter (auch Verschattung, Nässe etc.) und der Klimawandel (langfristige Veränderung von Temperaturen und Extremwettersituationen wie Starkregen, Hochwasser, Sturmschäden etc.).
Die Ansätze der Einwirkungen sind in Näherung auf Brücken übertragbar. Dennoch ist die Komplexität hier deutlich höher, weswegen man sich verschiedener Hilfsgrößen bedient (Wertungszahl, Schädigungspotenzial, Zuverlässigkeit, Versagenswahrscheinlichkeit). Dabei setzt sich beispielsweise die Wertungszahl aus der Summe der Schädigungspotenziale zusammen, welche sich wiederum aus der modularen Bewertung von Schadenskategorien, Hauptbaustoffen, Konstruktionsart, Baujahr und normativen Grundlagen (BK, LM) ableiten. Höhere Versagenswahrscheinlichkeit (siehe Bild Sicherheitskonzept) führt zu verringertem Zuverlässigkeitsindex.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Lebensdauerprognose durch Verringerung der Einwirkungen (verkehrliche Einschränkungen) und/oder Erhöhung des Widerstandes (Baumaßnahmen) positiv beeinflussen lässt.
Die Prognose – auf die Erhaltungsstrategie kommt es an!
Um die Prognose bestimmen zu können, ist die Definition des kritischen Zustandes notwendig. Hierfür gibt es in den Regelwerken entsprechende Empfehlungen (z. B. Zielnoten).
Es werden grundsätzlich vier Erhaltungsstrategien unterschieden, die ein Eingreifen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erforderlich machen:
- Schadensabhängige Strategie (Ausfallbehebung)
- Zeitabhängige Strategie (präventiv)
- Zustandsabhängige Strategie (reaktiv)
- Vorausschauende Strategie (prädiktiv)
Unter Berücksichtigung der Zielsetzung (Optimierung von Zustand, Verfügbarkeit, Kosten oder Verbesserung der Nachhaltigkeit) ist die gewünschte Strategie auszuwählen. Die jeweils gewählte Erhaltungsstrategie beeinflusst dabei unterschiedlich die Prognosen der Teilsysteme der Bauwerke. Viele kleinere Maßnahmen können dabei grundsätzlich ähnlich hohe Lebensdauern und vergleichbare Wirtschaftlichkeit wie wenige Großbaumaßnahmen liefern. Verfügbarkeitsaspekte sollten hier berücksichtigt werden.
Nach erfolgtem Eingriff (z.B. Erneuerung Deckschicht oder Austausch Brückenlager) wird die Lebenszykluskurve zurückgesetzt. Die Höhe des Sprungs ist in Abhängigkeit von der Intensität der Maßnahme anhand der erzielten Zustandsverbesserung vorzunehmen. Natürlich kann der Anstieg der Kurve sich nach einer Maßnahme verändern.
Systemische Zusammenfassung von Lebenszyklusinformationen und Ableitung von Prognosen
Bei der Zusammenfassung von Straßenabschnitten oder Brückenkomponenten wird der Gesamtzustand des entstehenden Gesamtsystems durch die schlechteste Lebensdaueraussage eines Teilsystems bestimmt. Daher sollten Bauwerksteile nur so weit zusammengefasst und betrachtet werden, wie die sich aus der Strategie ergebenden Vorgaben für Erhaltungsabschnitte und Maßnahmenkonzepte nahelegen.
Bei der Betrachtung von Korridoren kann es sehr praktisch sein, die Eingreifzeiträume der Teilsysteme so miteinander zu verschneiden, dass in der Erhaltungsplanung korridorbezogene Maßnahmen sinnvoll koordiniert werden können.
Verbreitet ist auch der Ansatz der Schadensakkumulation nach Miner. Er beschreibt den Zusammenhang von Lastamplituden und der Anzahl der möglichen Lastzyklen (Lastkollektiven). Eine Eignung dieses Ansatzes ist je nach Modellierung und Datenlage individuell zu prüfen.
Für eine datenbasierte und flächendeckende Umsetzung der erläuterten Lebensdaueranalysen ist es notwendig, eine digitale Abbildung der betrachteten Infrastrukturobjekte sowie deren Verortung im Netz (Georeferenzierung in GIS-Karten) zu haben. Eine Prognose zu haben ist gut, auch wenn die Prognose nicht immer gut ist! Sie ermöglicht gezieltes Eingreifen und Zukunftsmanagement, und sie vermeidet Krisenmanagement.
Bei der Konzeptionierung und agilen Umsetzung sind wir gern behilflich. Sprechen Sie uns an!
