Multikriterielle Entscheidungsunterstützung in der risiko-basierten Instandhaltungsplanung am Beispiel der Verkehrswasserbauwerke

Altersstruktur und Zustand der Verkehrswasserbauwerke an den Bundeswasserstraßen machen einen gezielten Einsatz von Ressourcen zwingend notwendig. Die Verkehrswasserbauwerke werden bislang unabhängig voneinander hinsichtlich ihrer Bedeutung für den Schiffsverkehr sowie ihres Zustands bewertet und einer der Prioritätsstufen zugeordnet, sodass die Anzahl der Bauwerke mit hoher Priorität und der Instandhaltungsrückstau beständig steigt.
Potenzielle Folgen für die Bevölkerung, die Wirtschaft und die Umwelt durch Funktionsausfall bzw. Bauwerksversagen bleiben in der Entscheidungsfindung bislang weitestgehend unberücksichtigt. ... mehrMethoden wie bspw. standardisierte Risikobewertungen, Nachrechnungen oder Gutachten liefern präzise Ergebnisse für Einzelbauwerke, sind in der Umsetzung für einen großen Bau-werksbestand allerdings ressourcenintensiv und somit eher hinderlich bei der Beschleunigung von Entscheidungsprozessen. Eine vorausschauende Instandhaltungsplanung unter Berücksichtigung bauwerksspezifischer Risiken und langfristiger Entwicklungen für einen großen Bauwerksbestand gestaltet sich zunehmend komplex.

Diese Dissertation stellt ein Planungsinstrument für die Instandhaltung von Verkehrswasserbauwerken vor, welches eine risiko-basierte Bewertung der Priorität in die Instandhaltungsplanung für einen großen Bauwerksbestand integriert sowie aktuelle und zukünftige Ressourcenbedarfe sowie Entwicklungen im Instandhaltungsrückstau quantifiziert.
Da aufgrund der Zustandsentwicklungen der Verkehrswasserbauwerke zunehmend mit einem Funktionsausfall bzw. Bauwerksversagen zu rechnen ist, werden für jedes untersuchte Bauwerk mögliche Versagensfolgen für dieses Extremereignis erfasst. Dafür werden Geoinformationsdaten sowie Daten verschiedener statistischer Ämter ausgewertet. Mit einem angepassten hydraulischen Ansatz wird die Höhe einer Schwallwelle nach einem plötzlichen Bauwerksversagen berechnet. Die in der Ex-ante-Schadensanalyse neu ermittelten Daten werden als Kriterien für die risiko-basierte multikriterielle Entscheidungsanalyse herangezogen. Bei der verwendeten Outranking Methode werden die Ergebnisse aus paarweisen Vergleichen zwischen den Bauwerken in Präferenzwerte überführt und mithilfe der Aggregation der Präferenzwerte wird für jedes Bauwerk ein risiko-basierter Prioritätswert ermittelt.
Für die Instandhaltungsplanung in Form einer Langzeitprognose werden Alterungsprozesse und Instandhaltungsmaßnahmen modelliert, sodass für jedes Bauwerk bestimmt werden kann, wann das Ende der Nutzungsdauer erreicht wird, welche Instandhaltungsmaßnahme notwendig ist und wie hoch der Investitionsbedarf ist. Da in einem großen Bauwerksbestand immer mehrere Bauwerke zeitgleich das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen, werden Bauwerke mit höheren Prioritätswerten bevorzugt in der Instandhaltungsplanung berücksichtigt. Das Planungsinstrument kann an unterschiedliche Rahmenbedingungen wie die Nutzungsdauer der Bauwerke oder das jährlich verfügbare Budget angepasst werden. In der Szenarioanalyse werden für die unterschiedlichen Instandhaltungspläne langfristige Trends im Bauwerksbestand und die Entwicklung des Instandhaltungsrückstaus aufgezeigt.

The ageing and structural condition of the waterway infrastructures of German federal water-ways make a targeted use of resources absolutely essential. To date, the waterway infrastructures have been independently assessed with regard to their importance for freight traffic and their structural condition. Thereafter, different priority levels are assigned to these structures according to the assessment of their current structural condition. Meanwhile, the number of high-priority structures has significantly increased and forms the existing maintenance backlog
Potential consequences for the population, the economy and the environment due to functional or structural failure have not always been taken into account in decision-making. ... mehrMethods such as standardized risk assessments, structural analysis or expert opinions provide precise results for individual infrastructure assets. However, these approaches are resource-intensive when implemented for a significant number of structures, and thus, are likely to curb the decision-making processes. Foresighted maintenance planning, taking into account structure-specific risks and long-term developments for a considerable number of structures, is becoming increasingly complex.

This thesis presents a planning tool for the maintenance of waterway infrastructure assets, which integrates a risk-based evaluation of the priority into the maintenance planning for a wide range of structures. It quantifies current and future resource requirements as well as improvements to remediate the maintenance backlog.
Since a functional or structural failure is increasingly becoming a high concern due to the unsatisfactory structural condition of many waterway structures, possible failure consequences for such unpredictable extreme event are recorded for each investigated structure. Geo-information data and data from various statistical agencies are evaluated for this purpose. With an adapted hydraulic approach, the height of a surge wave after a sudden structural failure is calculated. The data newly determined in the ex-ante damage analysis are used as criteria for the risk-based multi-criteria decision analysis. Using an outranking method, the results of pairwise comparisons be-tween the examined structures are converted into preference values and a risk-based priority value is determined for each structure by aggregating the preference values.
Within the framework of a long-term forecasting of maintenance, ageing processes and maintenance measures are modelled. The aim of such modeling is to establish for each structure the time by which the structure will have reached its useful lifetime, which maintenance measure is necessary and how much investment is required. Since many infrastructure assets of the vast portfolio of facilities are likely to reach their useful lifetime at the same time, structures with higher priority values are preferably considered for maintenance planning. The planning tool is adapted to different framework conditions, such as the useful lifetime of the structures or the annually available budget. The scenario analysis describes long-term trends in the infrastructure portfolio and the development of the maintenance backlog for the different maintenance plans.