Zur Zuverlässigkeitsanalyse von Massivbrücken für außergewöhnliche Bedrohungsszenarien

Abstract

Um eine kontinuierliche Nutzung des Bundesfernstraßennetzes gewährleisten zu können, müssen für kritische Elemente der Straßenverkehrsinfrastruktur, wie Brücken- und Tunnelbauwerke, potenzielle Bedrohungen identifiziert, deren Auswirkungen auf die Bauwerke bestimmt und Schutzmaßnahmen entwickelt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der die Kritikalität von Massivbrücken, die einem bestimmten Bedrohungsszenario ausgesetzt sind, quantitativ beurteilt werden kann. Dies ermöglicht sowohl die Identifizierung kritischer Bauwerke, als auch die Bewertung von Schutzmaßnahmen. Die Beurteilung der Kritikalität erforderte eine Zuverlässigkeitsanalyse zur Ermittlung der operativen Versagenswahrscheinlichkeit und des Zuverlässigkeitsindex. Als Grundlage für die Zuverlässigkeitsanalyse diente ein komplexes wahrscheinlichkeitstheoretisches Modell, in dem die maßgebenden Einflussgrößen der Beanspruchungen und Widerstände als Basisvariablen berücksichtigt wurden. Es wurden vier Straßenverkehrsvarianten unterschieden, die den gegenwärtigen und den prognostizierten Schwerverkehr im deutschen Bundesfernstraßennetz abbilden. Die entwickelte Methode wurde am Beispiel von zwei repräsentativen Bauwerken mit fünf Bedrohungsszenarien und zwei Referenzszenarien demonstriert. Diese Ergebnisse dienten auch zur Verifizierung und der Kalibrierung einer vereinfachten Schätzung für den Zuverlässigkeitsindex. Den Kern der Zuverlässigkeitsanalyse bildete eine Näherung mittels Monte-Carlo-Simulation. Die Varianz der Näherung konnte hierbei effektiv reduziert werden, indem die Modellunsicherheitsfaktoren analytisch berücksichtigt wurden. Basierend auf den Ergebnissen der Monte-Carlo-Simulation wurde auch eine Näherung des Zuverlässigkeitsindex unter Berücksichtigung der nichtlinearen Tragwerksreserven des statisch unbestimmten Tragwerks entwickelt. Die Monte-Carlo-Simulation ermöglichte zudem eine exemplarische Risikoanalyse der Bedrohungsszenarien, deren Ergebnisse von Bauwerksbetreibern und -eigentümern für wichtige ethische und wirtschaftliche Entscheidungen bezüglich des Einsatzes von Schutzmaßnahmen herangezogen werden können. Die Berechnungen lieferten wichtige Erkenntnisse bezüglich der Kombination von zeitlich veränderlichen Einwirkungen sowie der Ermittlung der Zuverlässigkeit von Systemen, bei denen ein Versagen nach mehreren Grenzzuständen, zwischen denen Korrelationen bestehen, erfolgen kann. Um eine vereinfachte Ermittlung der Kritikalität von Straßenbrücken zu ermöglichen, wurde als alternative Bewertungsgröße der Sicherheit der Verkehrslastfaktor eingeführt, der sich bereits mit semiprobabilistischen Berechnungsverfahren ermitteln lässt. Anhand der Ergebnisse der Beispielszenarien konnte eine Korrelation zwischen den beiden Indikatoren der Tragwerkssicherheit festgestellt werden. Dies diente als Grundlage für eine Schätzung des Zuverlässigkeitsindex auf Basis des Verkehrslastfaktors.

To maintain the undisrupted operation of the road network, for critical members of the highway infrastructure, such as bridges and tunnels, potential hazards are to be identified, their effect on the structure is to be assessed and protection measures are to be developed. A method was introduced to attain a quantitative assessment of the criticality of concrete bridges, which are subject to a hazard scenario. This enables the identification of critical structures, as well as the evaluation of protection measures. The assessment of criticality required a reliability analysis, in order to calculate the probability of failure and the reliability index. The reliability analysis was based on a complex probabilistic model, including basic variables considering both actions and resistances. Four traffic scenarios have been distinguished, accounting for the current and prognosticated traffic on German highways. The introduced method was demonstrated on the example of two representative bridges with five hazard and additional two reference scenarios. The attained results also served to verify and calibrate a simplified estimation for the reliability index. An approximation by the Monte-Carlo method formed the core of the reliability analysis. The variance of the approximation could be reduced effectively, by considering the model uncertainty factors analytically. Based on the results of the Monte-Carlo simulation an approximation of the reliability index, considering also the additional safety due to the redistribution of moments in statically indeterminate structures, could be developed. The Monte-Carlo simulation also enabled a risk analysis of the different hazard scenarios. These results provide valuable tools for proprietors and operators of traffic infrastructure to reach important ethical and economic decisions regarding the application of protection measures. Interesting insights were made on the combination of different time-dependent actions and the assessment of the reliability index of systems with several correlated limit states. To facilitate the assessment of criticality for highway bridges, the traffic load factor was introduced, as an alternative indicator of structural safety. This indicator can be calculated with semi probabilistic methods. Analysing the results of the investigated examples, a correlation between the two measures of structural safety could be observed. Based on this relationship an estimate was given for the reliability index using the traffic load factor.