Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Strassen ASTRA I452-1538 KUBA 4.0 Dr. R. Hajdin IMC GmbH

Eidgenössisches Departement fürUmwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK

Bundesamt für Strassen ASTRA

I452-1538

KUBA 4.0

Dr. R. Hajdin

IMC GmbH

Fachapplikation Kunstbauten und Tunnel KUBA 4 und KUBA 5Infotagung, 4.11.2009, Bern

KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA

I452-1538

Inhalt

1. Einführung

2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS

3. Neue Daten• Substanzdaten• Inspektionsdaten• Daten zu Erhaltungsmassnahmen

4. Methodik

5. Schlussbemerkungen

2


I452-1538

Wozu KUBA 4.0?

• Unterstützung v.a. für die Unterhaltsplanung aber auch für die Erhaltungsplanung• Finanzbedarf• Arbeitsprogramm• Zustandsentwicklung

• Neue Daten• Zustandsdaten• Kosten

3

1. Einführung


I452-1538

Geschichtlicher Rückblick

• 1/1992 – Literatur und Machbarkeitsstudie• 1/1994 – Projektdefinition• 1/1995 – Grobkonzept• 8/2002 – IT-Konzept• 6/2005 - Realisierungsbeginn

4

1. Einführung


I452-1538

Installierte Releases beim ASTRA

• 30.10.2007 Produktive Installation • 02.2008 Hotfix 4.0.42.62• 05.2008 Hotfix 4.0.42.63• 06.2008 Rel 4.1.0.1• 10.2008 Rel 4.1.0.2• 06.2009 Rel 4.1.0.3

5

1. Einführung


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Unterhalt als Prozess

6

A0

Überwachung - Brücke 1

A0

Überwachung - Brücke 2

A0

Überwachung - Brücke ...

A1

Unterhaltsplanung

A4

Budgetgenehmigung

A2

Projektierung - Brücke 1

A2

Projektierung - Brücke 2

A3

Ausführung - Brücke 1

A5

Überwachungs-planung

Antragabgelehnte

Antrag

Antrag

bewiligterAntrag

Keine Massnahmen

A6

Schlussprüfung

keine Masnahme erforderlich

Arbeitsprogramm



I452-1538

Ergebnisse

• Arbeitsprogramm - Vorschläge der Unterhaltsprojekte für eine Zeitperiode

• Mittelfristiges Arbeitsprogramm - Liste der optimalen Unterhaltsprojekte für 10 bis 15 Jahre

• Langfristiger Finanzbedarf• Was heisst optimal?

7



I452-1538

Ergebnisse (Fort.)

• Wirtschaftlich optimal - optimale Verwendung der finanziellen Mittel

• Arbeitsprogramme sollen nur optimale Unterhaltsprojekte enthalten• In Bezug auf Zeit der Ausführung• in Bezug auf deren Art und Umfang (=Betreiberkosten)• in Bezug auf Verkehrsbehinderung (=Benutzerkosten)

8



I452-1538

Unterhaltsplanung

9



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Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte

10

UnterhaltsprojektBauwerkszustand

Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen

Zustand der Bauwerksteile



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Neu gegenüber 3.1 – KUB-DB

• Substanz• Ausmasse

• Bauwerksinspektion (Zustandserfassung)• Schadensprozesse• Schadenausmasse

• Erhaltungsmassnahmen• Kosten

11

3. Neue Daten


I452-1538

Bauwerksteilausmass

12

3. Neue Daten


I452-1538

13

Ltot: Länge der Platte:

Ausmass der unteren Fahrbahnplatte [m2]: A u = (2⋅a + b + 2⋅c) ⋅ Ltot

Ausmass der oberen Fahrbahnplatte [m2]: A o = B ⋅ Ltot

Bauwerksteilausmass

• Platte (2343, 2351, 2352, 2355, 2936)

13

3. Neue Daten


I452-1538

14

Ausmass des Widerlagers ohne Kontrollgang [m2]: A = B h⋅Ausmass des Widerlagers mit Kontrollgang [m2]: A = 2 ⋅ B h⋅Ausmass der Lagerbank [m2] A = b ⋅ L

Bauwerksteilausmass

• Widerlager (21, 2101, 2102, 2111, 2112, 2114, 2324)

14

3. Neue Daten


I452-1538

15

Länge des Bogens [m]: LAusmass des Gewölbes [m2]: A = b L⋅Ausmass des Bogens [m2]: A = U L⋅Eine als Stütze ausgeprägte Mauer

Bauwerksteilausmass

• Bogen, Gewölbe (2321, 2924)

15

3. Neue Daten


I452-1538

16

Fahrbahnplattenlänge [m]: Ltot Länge eines Fahrbahnübergangs (von Aussenkante Randbord bis zur Aussenkante Randbord [m]): B Anzahl Fahrbahnübergänge auf der Brücke: nAusmass der Fahrbahnübergänge der Brücke [m]: LFA = B n⋅

Bauwerksteilausmass

• Fahrbahnübergang (27)

16

3. Neue Daten


I452-1538

Zustandserfassung

• Bauwerkteil ist Beurteilungseinheit• Durch Inspektionen werden erfasst:

• Schadenschwere• Schadenausmass• Schadenprozess

17

3. Neue Daten


I452-1538

Zustandserfassung

18

3. Neue Daten


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19 1 2

7

3 4

6 8

5

Schadensprozesse

• Korrosion im Stahlbeton (und Spannbeton)

• Frostschäden am Beton

• Wasserinfiltration

• Korrosion am Baustahl

• Schäden am Mauerwerk

• Schäden an Fahrbahnübergängen

• Schäden am Lager

• Schäden an Belag und Abdichtung

19

3. Neue Daten


I452-1538

20 Voraussetzung Gegenbeispiele

Der Schadensprozess muss kontinuierlich und voraussagbar sein. Er muss auch die Zustandsklassen durchlaufen, welche durch typische Schadensbilder charakterisiert werden.

Unterspülung

Es ist möglich mit relativ geringem Aufwand die durch ihn verursachten Schäden zu entdecken und zu inspizieren

Ermüdung

Die Massnahmen müssen einer eindeutigen dem Schadenprozess zugeordneten Zustandsklasse zugewiesen werden können

Ermüdung

Die Verhältnismässigkeit zwischen Ausmass des Schadens und Umfang der Massnahme muss vorhanden sein

Bodensenkung

Schadensprozesse

20

3. Neue Daten


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Zustands-klasse

Beschreibung

1: gut (keine/geringfügige Schäden)

Keine nennenswerten Schäden; nur feine Oberflächenrisse; keine Spuren von Korrosion.

2: annehmbar (unbedeutende Schäden)

Sichtbare Korrosionsspuren (Rostflecken) und/oder lokale Abplatzungen; feine Risse infolge von Korrosion an Bewehrungsstäben und/oder Nassstellen; geringfügige mechanische Schäden

3: schadhaft (bedeutende Schäden)

Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben, Korrosionsabtrag unbedeutend, im Mittel weniger als 10 % der freiliegenden Bewehrungsstäbe; Risse und/oder Nassstellen

4: schlecht (grosse Schäden)

Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben, Korrosionsabtrag bedeutend, im Mittel mehr als 10 % der freiliegenden Bewehrungsstäbe und/oder Lochfrass; Risse und/oder Nassstellen.

5: alarmierend (dringliche Massnahme)

Die Sicherheit ist gefährdet; Massnahmen sind vor der nächsten Hauptinspektion erforderlich; dringliche Massnahme.

CE2

CE3

CE4

CE5

Schadensschwere

3. Neue Daten

CE2


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Schäden und Schadenausmass

SchadenausmassZK 3

Schadenausmass ZK1

Fakten

Interpretation

3. Neue Daten


I452-1538

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Schlussprüfung

Erste Inspektion

Segment 1

Schadenausmass ZK 1

Schadenausmass ZK 3

Segment 2Segment 1

Schadenausmass ZK 1

Schadenausmass / Segmentierung• Das Ziel der Segmentierung ist

die Teile eines Bauwerksteils, bei welchen gleicher Verfall vermutet wird, zu identifizieren

• Die Segmente sind dynamisch, aber• die Segmentausmasse

können nur durch die Umverteilung der Ausmasse in Zustandsklasse 1 verändert werden

• die Veränderung der Schadenausmasse einer anderen Zustandsklasse ist nur bei der jüngsten Inspektion erlaubt

23

3. Neue Daten


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Schadenausmass / Segmentierung• Pro Segment:

• Schäden welche zum gleichen Schadensprozesstyp und Einfluss gehören (und am gleichen Bauwerksteil wirken) werden zu einer Schadensgruppe zusammengefasst und als solche erfasst (z. B. Korrosion im Stahlbeton mit negativen Einfluss).

• Der Zustand des Schadenausmasses wird erfasst (z. B. Zustandsklasse 3).

• Das Ausmass der Schadensgruppe wird erfasst (z. B. 0.8 x 0.5 + 0.2 x 0.5 = 0.5 [m2]).

24

3. Neue Daten


I452-1538

25

Schadenausmass / Segmentierung• Pro Segment:

• Ausgeführte Erhaltungsmassnahmen zur Behebung der Schadensgruppe werden ggf. erfasst.

• Der erfassten Schadensgruppe können erfasste Schäden zugeordnet werden und dadurch mit der Schadensgruppe zusammengefasst werden (z. B. Betonüberdeckung unter 15 mm, angerostete Bewehrung und Abplatzungen oder lose Stellen).

• Der erfassten Schadensgruppe können Fotos zugeordnet werden.

25

3. Neue Daten


I452-1538

Kosten - Was wird erfasst?

• Kosten der Unterhaltsmassnahme an Bauwerksteilen• Kosten der nicht berücksichtigten Bauwerksteile• Zusatzkosten

• Installationskosten• Verkehrsführungskosten• Honorare für Projektierung und Bauleitung• Honorare für Überprüfung

26

3. Neue Daten


I452-1538

Erfassung von Erhaltungskosten

27

3. Neue Daten


I452-1538

3. Neue Daten

28


I452-1538

Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte

29

UnterhaltsprojektBauwerkszustand

Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen

Zustand der Bauwerksteile

4. Methodik


I452-1538

Zustandsklasse und Massnahmen

30

ZK 1

StahlbetonstützeStahlbetonstützeSegment einer

StahlbetonstützeLokale

Instandsetzung

Vollflächige Instandsetzung

Ersatz

Fr./m2

ZK 2

ZK 3

ZK 4

ZK 5

Stahlbeton-Korrosion

Korrosion vom Stahlbeton

4. Methodik


I452-1538

4. Methodik

31


I452-1538

4. Methodik

32


I452-1538

Zustandsprognose

33

• Die Entwicklung der Schadenschwere mit der Zeit wird mit einer Verfallsfunktion beschrieben.

• Hierfür werden in KUBA-MS Markov-Ketten eingesetzt.

• Die Zustandsentwicklung wird als eine probabilistische Funktion modelliert

4. Methodik


I452-1538

34

Probabilistische Zustandsentwicklung (Forts.)

1 5432

p 11 p 22 p 33 p 44 p 55

p 13

p 12 p 23 p 34 p 45

p 35

p 24

p 14

p 15

p 25

4. Methodik


I452-1538

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Zeit (Jahren)

Pro

zent

ante

ile d

er

Ufe

rba

uwer

kszu

stan

dkl

asse

n

ZK5ZK4ZK3ZK2ZK1

35

ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5

Heute 100% 0% 0% 0% 0%

Nach Periode 1 87% 13% 0% 0% 0%

Nach Periode 2 73% 23% 4% 0% 0%

Periode t

Periode t + 1

ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5

ZK1 0.87 0.13 0 0 0

ZK2 0 0.70 0.30 0 0

ZK3 0 0 0.82 0.18 0

ZK4 0 0 0 0.80 0.20

ZK5 0 0 0 0 1

Markov-Ketten

35

4. Methodik


I452-1538

P34=

20%

Schadenausmass ZK 3 = 16 m2




Schadenausmass ZK1 = 80 m2

36

80% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 3 = 20 m2

20% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 4 = 20 m2


Bedeutung der Koeffizienten• Sie sind in der Regel nicht als

prozentuale Anteile zu verstehen, nach denen ein Schadenausmass nach einer Periode aufgeteilt wird.

• Sie sind in der Regel die Wahrscheinlichkeiten mit welcher sich ein Schadenausmasses in einer Zustandsklasse befinden wird.

36

4. Methodik


I452-1538

37

Bedeutung der Koeffizienten• Ausnahme:

Sie werden jedoch als prozentuale Anteile aufgefasst nach welchen ein Schadenausmass in Zustandsklasse 1 nach einer Periode aufgeteilt wird für alle Bauwerksteile ausser für Lager und Gelenke.

37


Schadenfreies Ausmass ZK1 = 80 m2

80% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 3 = 20 m220% Wahrscheinlichkeit Schandeausmass ZK 4 = 20 m2

Schadenfreies Ausmass ZK1 = 72 m2


P12=

10%

Die Schäden werden generiert

4. Methodik


I452-1538

Optimierungsprinzip

38

Zeit

Zu

stan

dsk

lass

e

1

Erh

altu

ng

s-ko

sten

t

Technische Kriterien nicht mehr erfüllt

Realiserungswahrscheinlichkeit

ZK1

ZK2

ZK3

ZK4

ZK5

4. Methodik


I452-1538

Optimierungsprinzip

Zeit

Zu

stan

dsk

lass

e

1

Erh

altu

ng

s-ko

sten

t

Technische Kriterien nicht mehr erfüllt

Realiserungswahrscheinlichkeit

ZK1

ZK2

ZK3

ZK4

ZK5

39

4. Methodik


I452-1538

Optimierung auf Netzebene

• Der Mittelwert der Betreiberkosten aller Realisierungen wird gesucht

• Der kleinste Mittelwert definiert die optimale Unterhaltsstrategie

40

4. Methodik


I452-1538

41

4. Methodik


I452-1538

Planung auf Netzebene

• Simulation• Multiplizieren die Einheitskosten der optimalen

Unterhaltsmassnahmen mit den Ausmassen in den jeweiligen Zustandsklassen

42

1

2

1 2 3 4 5 3

4

5

i

c

c

f s s s s s c

c

c

4. Methodik


I452-1538

Finanzbedarf

0.0

2000000.0

4000000.0

6000000.0C

HF

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

2050

2055

2060

2065

2070

2075

2080

2085

2090

2095

2100

2105

2110

J ahr

MinimalOptimal

43

4. Methodik


I452-1538

Mittlerer Bauwerkszustand

• Simulation• Gewichten die Ausmasse mit dem Ersatzeinheitskosten

44

ie

Bauwerksteiltypenim i

eBauwerksteiltypen

S Z cs

S c

1

2

3

4

5

Z

4. Methodik


I452-1538

Mittlerer Bauwerkszustand

ZK1

ZK2

ZK3

ZK4

ZK5

Zus

tand

skla

sse

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

2050

2055

2060

2065

2070

2075

2080

2085

2090

2095

2100

2105

2110

J ahr

MinimalOptimal

45

4. Methodik


I452-1538

Verfall

Planungsperiode 1 Planungsperiode 2Vergangenheit

Projektierung undAusführung

Segment 1

Segment 2

Segment 3

I

I

I P

P

P

Verfall

Verfall

Verfall

P

P

P

46

4. Methodik


I452-1538

Schadenausmass

ZK 3 = 10 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 8 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 12 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 20 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

P3

4=

20

%

Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2

80% ZK 3 = 10 m2

20% ZK 4 = 10 m2

80% ZK 3 = 20 m2

20% ZK 4 = 20 m280% ZK 3 = 12 m2

20% ZK 4 = 12 m2

80% ZK 3 = 8 m2

20% ZK 4 = 8 m2


4. Methodik

47


I452-1538

Schadenausmass

ZK 3 = 10 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 8 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 12 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

Schadenausmass

ZK 3 = 20 m2

Schadenfreies

Ausmass

ZK1 = 80 m2

P3

4=

20% Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2

100% ZK 4 = 10 m2100% ZK 3 = 20 m2 100% ZK 3 = 12 m2 100% ZK 3 = 8 m2

Sortieren nach Verfallsindikator


4. Methodik

48


I452-1538

Unterhaltsprojekte

• Optimale (oder minimale) Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen in Unterhaltsprojekte zusammenfassen

• Die Kosten aufgrund der Einheitskosten berechnen• Installationskosten, Projektierungskosten hinzufügen• Benutzerkosten berechnen

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4. Methodik


I452-1538

Optimierung auf Bauwerksebene

• Für jedes Bauwerk werden 3 Unterhaltsprojekte untersucht:• Optimales Unterhaltsprojekt• Nichtstun• Ersatz

• Dazu kommen manuell eingegebene Umgestaltungsprojekte, weitere Unterhaltsprojekte usw.

• Budgeteinschränkungen

50

4. Methodik


I452-1538

Inkrementelle Kosten/Nutzen Analyse

51

10

20

10 20Kosten

Nutzen

Maximaler Nettonutzen

A

E (streichen)

C

F

BD

1

1

4. Methodik


I452-1538

Schlussbemerkungen zu KUBA-MS

• Der Nutzen der Erhaltungsplanung hängt sehr stark von Eingangsdaten ab, d. h.• Übergangskoeffizienten• Wirksamkeitsvektoren• Einheitskosten

• Die Qualität der erfassten Daten ist von ganz grosser Bedeutung

• Junk-in, junk-out

52

5. Schlussbemerkungen

Documents

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