KUBA 4.0 Dr. R. Hajdin IMC GmbH Fachapplikation Kunstbauten und Tunnel KUBA 4 und KUBA 5 Infotagung, 4.11.2009, Bern KUBA 4.0 Dr. R. Hajdin IMC GmbH

Inhalt Einführung Erhaltungsplanung mit KUBA-MS Neue Daten Substanzdaten Inspektionsdaten Daten zu Erhaltungsmassnahmen Methodik Schlussbemerkungen

1. Einführung Wozu KUBA 4.0? Unterstützung v.a. für die Unterhaltsplanung aber auch für die Erhaltungsplanung Finanzbedarf Arbeitsprogramm Zustandsentwicklung Neue Daten Zustandsdaten Kosten

Geschichtlicher Rückblick 1. Einführung Geschichtlicher Rückblick 1/1992 – Literatur und Machbarkeitsstudie 1/1994 – Projektdefinition 1/1995 – Grobkonzept 8/2002 – IT-Konzept 6/2005 - Realisierungsbeginn

Installierte Releases beim ASTRA 1. Einführung 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

2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS Unterhalt als Prozess Arbeitsprogramm

2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS Ergebnisse Arbeitsprogramm - Vorschläge der Unterhaltsprojekte für eine Zeitperiode Mittelfristiges Arbeitsprogramm - Liste der optimalen Unterhaltsprojekte für 10 bis 15 Jahre Langfristiger Finanzbedarf Was heisst optimal?

2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS 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)

2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS Unterhaltsplanung DEMO 1 9

Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte 2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte

Neu gegenüber 3.1 – KUB-DB Substanz Ausmasse 3. Neue Daten Neu gegenüber 3.1 – KUB-DB Substanz Ausmasse Bauwerksinspektion (Zustandserfassung) Schadensprozesse Schadenausmasse Erhaltungsmassnahmen Kosten

3. Neue Daten Bauwerksteilausmass DEMO 2

Bauwerksteilausmass Platte (2343, 2351, 2352, 2355, 2936) 3. Neue Daten Bauwerksteilausmass 13 Platte (2343, 2351, 2352, 2355, 2936) 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 13

3. Neue Daten Bauwerksteilausmass 14 Widerlager (21, 2101, 2102, 2111, 2112, 2114, 2324) 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 14

Bauwerksteilausmass Bogen, Gewölbe (2321, 2924) 3. Neue Daten 15 Länge des Bogens [m]: L Ausmass des Gewölbes [m2]: A = b ⋅ L Ausmass des Bogens [m2]: A = U ⋅ L Eine als Stütze ausgeprägte Mauer 15

Bauwerksteilausmass Fahrbahnübergang (27) 3. Neue Daten 16 Fahrbahnplattenlänge [m]: Ltot Länge eines Fahrbahnübergangs (von Aussenkante Randbord bis zur Aussenkante Randbord [m]): B Anzahl Fahrbahnübergänge auf der Brücke: n Ausmass der Fahrbahnübergänge der Brücke [m]: LFA = B ⋅ n 16

Zustandserfassung Bauwerkteil ist Beurteilungseinheit 3. Neue Daten Zustandserfassung Bauwerkteil ist Beurteilungseinheit Durch Inspektionen werden erfasst: Schadenschwere Schadenausmass Schadenprozess

3. Neue Daten Zustandserfassung DEMO 3

Schadensprozesse 3. Neue Daten 1 2 19 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 3 4 6 8 5 7 19

Schadensprozesse 3. Neue Daten Voraussetzung Gegenbeispiele 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 Die Verhältnismässigkeit zwischen Ausmass des Schadens und Umfang der Massnahme muss vorhanden sein Bodensenkung 20

Schadensschwere 3. Neue Daten CE2 CE2 CE3 CE4 CE5 Zustands-klasse 21 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. CE3 CE4 CE5 21

Schäden und Schadenausmass 3. Neue Daten Schäden und Schadenausmass Fakten Interpretation 22

Schadenausmass / Segmentierung 3. Neue Daten Schadenausmass / Segmentierung 23 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 Schlussprüfung Erste Inspektion 23

Schadenausmass / Segmentierung 3. Neue Daten Schadenausmass / Segmentierung 24 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

Schadenausmass / Segmentierung 3. Neue Daten Schadenausmass / Segmentierung 25 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

Kosten - Was wird erfasst? 3. Neue Daten 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

Erfassung von Erhaltungskosten 3. Neue Daten Erfassung von Erhaltungskosten DEMO 4

3. Neue Daten

Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte 4. Methodik Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte

Zustandsklasse und Massnahmen 4. Methodik Zustandsklasse und Massnahmen Korrosion vom Stahlbeton

4. Methodik Zustandsklasse Beschrieb Schaden Mögliche Massnahmen 1 Keine nennenswerten Schäden; nur feine Oberflächenrisse. 1) Nichtstun 2 Sichtbare Korrosionsspuren (Rostflecken) und/ oder lokale Abplatzungen; feine Risse und/ oder Nassstellen. 2) Lokale Instandsetzung 3 Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben (Korrosionsabtrag unbedeutend, im Mittel weniger als 10% der freiliegenden Bewehrungsstäbe); Risse und/ oder Nassstellen. 4 Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben (Korrosionsabtrag bedeutend, im Mittel mehr als 10% der freiliegenden Bewehrungsstäbe und/oder Lochfrass); Risse und Nassstellen. 2) Lokale Instandsetzung und vollflächiger Oberflächenschutz 3) Vollflächige Instandsetzung, ev. nach vorgängiger Wiederherstellung des Stahlquerschnitts 4) Ersatz 5 Sofortmassnahme erforderlich 1) Sofortmassnahme

Wirksamkeit: Übergang zu 4. Methodik Zustands- klasse Mögliche Massnahmen Einheits kosten Wirksamkeit: Übergang zu ZK 1 ZK 2 ZK 3 ZK 4 1 1) Nichtstun 0.- 80 % 15 % 5 % 0 % 2 Nichtstun 75 % 25 % Lokale Instandsetzung 220.- 20 % 3 70 % 250.- 90 % 10 % 4 85 % Lokale Instandsetzung und vollflächiger Oberflächenschutz 300.- Vollflächige Instandsetzung, ev. nach vorgängiger Wiederherstellung des Stahlquerschnitts 500.- Ersatz 1000.- 100 % 5 1) Sofortmassnahme

4. Methodik Zustandsprognose 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

Probabilistische Zustandsentwicklung (Forts.) 4. Methodik Probabilistische Zustandsentwicklung (Forts.) 34

Markov-Ketten 4. Methodik ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5 Heute 100% 0% 35 Periode t Periode t + 1 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5 0.87 0.13 0.70 0.30 0.82 0.18 0.80 0.20 1 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5 Heute 100% 0% Nach Periode 1 87% 13% Nach Periode 2 73% 23% 4% 35

Bedeutung der Koeffizienten 4. Methodik Bedeutung der Koeffizienten 36 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. P34=20% 36

Bedeutung der Koeffizienten 4. Methodik Bedeutung der Koeffizienten 37 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. P12=10% Die Schäden werden generiert 37

4. Methodik Optimierungsprinzip

4. Methodik Optimierungsprinzip

Optimierung auf Netzebene 4. Methodik Optimierung auf Netzebene Der Mittelwert der Betreiberkosten aller Realisierungen wird gesucht Der kleinste Mittelwert definiert die optimale Unterhaltsstrategie

4. Methodik Zustandsklasse Beschrieb Schaden Mögliche Massnahmen 1 Keine nennenswerten Schäden; nur feine Oberflächenrisse. 1) Nichtstun 2 Sichtbare Korrosionsspuren (Rostflecken) und/ oder lokale Abplatzungen; feine Risse und/ oder Nassstellen. 2) Lokale Instandsetzung 3 Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben (Korrosionsabtrag unbedeutend, im Mittel weniger als 10% der freiliegenden Bewehrungsstäbe); Risse und/ oder Nassstellen. 4 Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben (Korrosionsabtrag bedeutend, im Mittel mehr als 10% der freiliegenden Bewehrungsstäbe und/oder Lochfrass); Risse und Nassstellen. 2) Lokale Instandsetzung und vollflächiger Oberflächenschutz 3) Vollflächige Instandsetzung, ev. nach vorgängiger Wiederherstellung des Stahlquerschnitts 4) Ersatz 5 Sofortmassnahme erforderlich 1) Sofortmassnahme

Planung auf Netzebene Simulation 4. Methodik Planung auf Netzebene Simulation Multiplizieren die Einheitskosten der optimalen Unterhaltsmassnahmen mit den Ausmassen in den jeweiligen Zustandsklassen

4. Methodik Finanzbedarf

Mittlerer Bauwerkszustand 4. Methodik Mittlerer Bauwerkszustand Simulation Gewichten die Ausmasse mit dem Ersatzeinheitskosten

Mittlerer Bauwerkszustand 4. Methodik Mittlerer Bauwerkszustand

4. Methodik Verfall

4. Methodik Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2 P34=20%

4. Methodik Sortieren nach Verfallsindikator P34=20% Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2 Schadenausmass in ZK 4 = 10 m2 Sortieren nach Verfallsindikator 48

4. Methodik Unterhaltsprojekte Optimale (oder minimale) Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen in Unterhaltsprojekte zusammenfassen Die Kosten aufgrund der Einheitskosten berechnen Installationskosten, Projektierungskosten hinzufügen Benutzerkosten berechnen

Optimierung auf Bauwerksebene 4. Methodik Optimierung auf Bauwerksebene Für jedes Bauwerk werden 3 Unterhaltsprojekte untersucht: Optimales Unterhaltsprojekt Nichtstun Ersatz Dazu kommen manuell eingegebene Umgestaltungsprojekte, weitere Unterhaltsprojekte usw. Budgeteinschränkungen

Inkrementelle Kosten/Nutzen Analyse 4. Methodik Inkrementelle Kosten/Nutzen Analyse

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