Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-10196
Authors: Gebler, Tobias
Title: Statistische Auswertung von simulierten Talsperrenüberwachungsdaten zur Identifikation von Schadensprozessen an Gewichtsstaumauern
Issue Date: 2018
Publisher: Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.seiten: xviii, 254, 13
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;262
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/10213
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-102136
http://dx.doi.org/10.18419/opus-10196
ISBN: 978-3-942036-66-5
Abstract: An Talsperren werden auf Grund ihrer bedeutenden Aufgaben einerseits und wegen ihres hohen Gefährdungspotentials für Unterlieger andererseits höchste Anforderungen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit gestellt. Die Anlagenbetreiber haben für den ordnungsgemäßen Zustand ihrer Bestandsbauwerke Sorge zu tragen. Für die Zustandsbewertung sind zum einen Messeinrichtungen erforderlich, die die maßgeblichen Einwirkungen auf die Mauer, wie beispielsweise den Wasserstand und Umgebungstemperatur, erfassen. Zum anderen ist eine geeignete Instrumentierung einzurichten, die die Bauwerksreaktion (Deformation, Dehnung, Durchsickerung, etc.) aufzeigt. Durch eine angemessene messtechnische Überwachung und Messdatenauswertung in Verbindung mit regelmäßigen visuellen Inspektionen und Funktionskontrollen der sicherheitsrelevanten Betriebseinrichtungen muss ein außergewöhnliches Verhalten der Anlage frühzeitig festgestellt werden. Ziel ist es, durch bauliche oder betriebliche Maßnahmen, die Funktionstüchtigkeit der Talsperre zu gewährleisten, um ein Versagensereignis sicher zu verhindern. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf den über 80 in Deutschland errichteten großen Gewichtsstaumauern, die im Durchschnitt bereits ein Alter über 90 Jahren aufweisen und deren Sicherheit und Zuverlässigkeit noch viele weitere Jahrzehnte zu garantieren ist. Die wesentliche Zielsetzung der vorliegenden Arbeit besteht darin, eine Hilfestellung zu liefern, um an Hand der zur Verfügung stehenden langjährigen Messreihen aus der Talsperrenüberwachung ein außergewöhnliches Bauwerksverhalten feststellen zu können. Darüber hinaus soll eine Bewertungsmöglichkeit des aktuellen Bauwerkszustandes hinsichtlich des Sicherheitsniveaus erstellt werden. Einführend werden die Grundlagen der in dieser Arbeit angewendeten statistischen Verfahren erläutert. Dies sind die Regressionsanalyse, die Varianzzerlegung, die Zeitreihenanalyse, die Fortpflanzung von Unsicherheiten und die Wahrscheinlichkeitsrechnung mit Bayesschen Netzen. Im nächsten Schritt werden weltweit aufgetretene historische Schadensereignisse von Gewichtsstaumauern ausgewertet, um die hierfür hauptursächlichen Schadensbilder zu identifizieren und deren Auftretenswahrscheinlichkeit zu ermitteln. Da in der Regel keine langjährigen Messdatenreihen der in der Vergangenheit versagten Talsperren verfügbar sind, die die Ableitung von allgemeingültigen Handlungsempfehlungen ermöglichen würden, werden in dieser Arbeit künstliche Talsperrenmessdaten mit Hilfe von numerischen Simulationen generiert. Dafür wird ein idealisiertes Referenzbauwerk mit typischen Abmessungen, Bauwerkskomponenten, Materialkennwerten und Überwachungseinrichtungen konzipiert, das die in Deutschland existierenden Gewichtsstaumauern repräsentiert. Während im Modell der Mauer jedoch lediglich die beiden wesentlichen Einwirkungen - Wasserlast und Umgebungstemperatur - abgebildet werden, treten in Realität weitere Einflüsse auf, die sich wiederum auf die zu beobachtenden Messgrößen auswirken und somit zu einer wesentlich breiteren Streuung der Daten führen. Im Zuge einer durchgeführten Umfrage wurden von diversen Betreibern Messdaten zu insgesamt 16 Gewichtsstaumauern zur Verfügung gestellt, die einer umfangreichen statistischen Auswertung unterzogen wurden. Somit lässt sich der nicht durch diese beiden Einwirkungen erklärbare mittlere Varianzanteil der Reaktionsgrößen (Sickerwasser, Gewichts- und Schwimmlotbewegung sowie Sohldrücke) quantifizieren. Darüber hinaus liefert die Messdatenauswertung weitere Randbedingungen für die in den nächsten Schritten durchgeführten Analysen. Einen wesentlichen Teil der Arbeit stellt die Finite-Elemente-Modellierung der idealisierten Mauer dar. Da sich das Sickerwasserströmungsverhalten und somit die Berechnungsergebnisse von Mauern mit und ohne Sohldrainagen grundlegend voneinander unterscheiden, werden beide Ausführungsvarianten getrennt voneinander betrachtet. Nach einer kurzen Erläuterung der in den unterschiedlichen Simulationsschritten Verwendung findenden Berechnungsansätze, wird der Aufbau des Finite-Elemente-Models dargestellt. Die Validierung des Modells erfolgt über eine instationäre Simulation der Mauer unter normalen betrieblichen Randbedingungen. Die generierten Messdaten werden mit realen Messdaten aus der Betreiberumfrage verglichen. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Verifizierung der Eignung des Modells und darüber hinaus können auch dessen Grenzen aufgezeigt werden. Im nächsten Schritt wird das Modell herangezogen, um die sechs zuvor beschriebenen maßgeblichen Schadensszenarien in jeweils vier unterschiedlich starken Ausprägungen zu simulieren, um für diese Mauerzustände künstliche Talsperrenmessdaten zu generieren. Somit wird ein Zusammenhang zwischen den Messdaten und den diese beeinflussenden potentiellen Schadensfällen hergestellt. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Ermittlung des Einflusses der jeweiligen Schäden auf das Sicherheitsniveau der Gewichtsstaumauer. Als Bewertungskriterium wird die kritische Überstauhöhe eingeführt. Diese wird als Differenz zwischen der Wasserspiegellage, bei deren Überschreitung ein Versagen der Mauer im numerischen Modell eintritt, und der Lage der Mauerkrone definiert. Die Berechnungsergebnisse der unterschiedlichen Szenarien werden anschaulich in Form von Balkendiagrammen aufbereitet. Den zentralen Kern der Arbeit bilden die Bayesschen Netze, die auf den wesentlichen Ergebnissen der vorangegangenen Abschnitte basieren. Sie stellen den Zusammenhang zwischen den potentiellen Schadensbildern der Mauer und deren Eintrittswahrscheinlichkeit, dem daraus resultierenden Sicherheitsniveau und den Messewerten her. Vorweg wird die Struktur der Netze mit den zugehörigen Knoten erläutert und die Belegung der zugehörigen bedingten Wahrscheinlichkeitstafeln beschrieben. Unter Anwendung der Netzberechnung werden Diagramme generiert, die den Mauerzustand beziehungsweise das Sicherheitsniveau der Talsperre in Abhängigkeit der Messwerte aufzeigen. Daraus lassen sich Schlussfolgerungen über die Relevanz der jeweiligen Messeinrichtungen ziehen, sowie Empfehlungen zu sinnvollen Überwachungsintervallen ableiten. Vervollständigt wird die Auswertung durch Darstellungen, die in Abhängigkeit der beobachteten Messwertbetrags aufzeigen, welcher Schadenstyp mit welcher Wahrscheinlichkeit vorliegen könnte.
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