Beurteilung der Zuverlässigkeit bestehender Massivbrücken mit Hilfe probabilistischer Methoden

Abstract

Die Tragfaehigkeit einer Strassenbruecke ist im Allgemeinen waehrend ihrer 80 bis 100jaehrigen Lebensdauer keine konstante Groesse, sondern sie nimmt mit fortschreitender Zeit aufgrund verschiedener Einfluesse ab. Einerseits sinkt der Bauwerkswiderstand infolge von Schaedigungen, andererseits steigen die Beanspruchungen aus den aeusseren Belastungen vorwiegend durch Zunahme des Schwerverkehrs und Erhoehung der zulaessigen Fahrzeuggesamtgewichte bzw. der Achslasten. Die Beurteilung bestehender Bruecken unter Beruecksichtigung der optimalen Ausnutzung der zur Verfuegung stehenden Mittel ist aufgrund des stetig zunehmenden Alters der Bauwerke und des steigenden Verkehrsaufkommens eine wichtige Voraussetzung für eine zielgerichtete Erhaltungsplanung. Absolute Sicherheit kann nicht erreicht werden. Es gilt also, ein optimales Verhaeltnis zwischen den Kosten für etwaige Ertuechtigungs- und Verstaerkungsmassnahmen und der Zuverlaessigkeit einer bestehenden Bruecke zu erreichen, sodass die Bruecke bei geringst moeglichem Einsatz an Mitteln imstande ist, die anfallenden Lasten mit ausreichender Zuverlaessigkeit abzutragen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren praesentiert, das eine Ergaenzung zur derzeitigen Vorgehensweise bei der Beurteilung der Tragfaehigkeit bestehender Strassenbruecken darstellt und dann zur Anwendung kommt, wenn bei der Nachrechnung basierend auf den semi-probababilistischen Ansaetzen der Normen keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden koennen. Im Wesentlichen beruht das vorgestellte Verfahren auf der Berechnung der Zuverlaessigkeit der Konstruktion und darauf, dass ein bestehendes, sich unter Verkehr befindliches Tragwerk nicht alle Nachweise der Entwurfsnormen erfuellen muss, so lange das den Normen zugrunde gelegte allgemeine Zuverlaessigkeitsniveau nicht unterschritten wird. Als Mass fuer die Zuverlaessigkeit einer Konstruktion dient dabei die Versagenswahrscheinlichkeit. Der Vorteil des vorgestellten Verfahrens ist, dass die tatsaechlichen Materialeigenschaften der Konstruktion sowie die lokale Belastungssituation bei der Untersuchung beruecksichtigt werden koennen. Ein bestehendes Bauwerk hat sich bereits ueber einen bestimmten Zeitraum bewaehrt und das Verhalten der Konstruktion unter Belastung ist bekannt. So kann auf eine Fuelle von Informationen zurueckgegriffen werden, die beim Entwurf eines neuen Tragwerks nicht zur Verfuegung stehen. Einerseits koennen beispielsweise die spezifischen Materialparameter des Bauwerks durch Entnahme von Proben ermittelt werden. Andererseits kann die lokale Verkehrssituation und damit anhand der Extremwerttheorie die massgebende Verkehrslast bestimmt werden. All das erhoeht das Wissen ueber die Konstruktion und reduziert somit Unsicherheiten und Streuungen der massgebenden Variablen. Zusaetzlich kann auch die Entwicklung der Zuverlaessigkeit der Bruecke ueber die Zeit bestimmt werden. Dies ist die Basis für eine optimierte Erhaltungsplanung und den wesentlich gezielteren Einsatz der zur Verfuegung stehenden Budgetmittel.

The ultimate strength of a road bridge over its lifetime of 80 to 100 years is not a constant, but decreases with time due to different sources. On the one hand the resistance of the structure is reduced by degradation of the materials, on the other hand the external loads are increased as a consequence of the rising traffic volume, higher permissible gross weights and axle loads of the vehicles. The assessment of existing bridge structures and the determination of the safety and reliability of the aging bridge stock within the national road network is of enormous economic importance. Absolute safety is impossible to reach. Thus, an optimal ratio of costs for repair and strengthening measures and the reliability of the structure at hand should be achieved, in such a way that the bridge is able to withstand the loading with sufficient reliability at minimum costs. In this doctoral thesis a method is described, which is deemed to be a completion of assessment methods for the load carrying capacity of existing road bridges currently used. It is employed if the recalculation of the structure based on the semi-probabilistic codes does not bring satisfying results. In essence the method presented is based on the determination of the reliability of the structure using probabilistic methods and on the fact that an existing bridge under traffic does not have to fulfil all the requirements of a general design code as long as the overall reliability level of the code is complied with. The probability of failure is used as a measure of structural reliability. One of the advantages of the presented method is that the actual material properties of the structure as well as the local traffic loads are considered in the assessment procedure. An existing bridge has already stood the test of time and its behavior under loading is known. Thus, a wide range of information is available which is not at hand when a new structure is being designed. Specific material pa-rameters can be determined by taking and evaluating samples and additionally, the local traffic situation and thus - using extreme value theory - the actual traffic load can be derived. All this increases the knowledge about the structure and reduces uncertainty and scatter of the relevant variables. Additionally, the development of the reliability of the structure over time can be determined. This is the basis for an optimized and goal-oriented maintenance planning and a selective use of financial resources and thus an important module of every bridge management system.