Inhaltsübersicht

Vorwort

Anschriften 1

Anschriften 2

Beiträge früherer Jahrgänge (1990–2012)

I: Sicherheit, Risikoakzeptanz, Nutzungs-, Lebensdauer und das richtige Maß

1 Begriffsbestimmungen und Einführung

2 Zuverlässigkeit und Sicherheitskonzepte im Konstruktiven Ingenieurbau

3 Vereinfachung und Transparenz der Sicherheitsnachweise

4 Literatur

II: Lebensdauerorientierter Entwurf, Konstruktion, Nachrechnung

1 Ziele/Aufgaben/Einleitung

2 Lebensdauer von Ingenieurbauwerken

3 Anforderungen der modernen Normengeneration an Betonbauwerke

4 Lebensdauerorientierter Entwurf und Abschätzung von Restnutzungsdauern

5 Grundlagen numerischer Simulation

6 Ingenieurwissenschaftliche und baupraktische Methoden

7 Fallstudien

8 Ausblick

9 Literatur

III: Lebensdauer von Stahlbetonbauteilen – Empfehlungen für eine modifizierte deskriptive Bemessung

1 Einführung

2 Modellierung von korrosionsauslösenden Mechanismen

3 Zustandsprognosen

4 Analyse deskriptiver Regeln

5 Entwicklung eines modifizierten deskriptiven Bemessungskonzeptes

6 Zusammenfassung

7 Literatur

IV: Die Nachrechnung von bestehenden Straßenbrücken aus Beton

1 Einleitung

2 Bestandserfassung

3 Durchführung der Nachrechnung von bestehenden Straßenbrücken

4 Einwirkungen

5 Werkstoffkennwerte für die Nachrechnung von Betonbrücken

6 Nachrechnung der Überbauten von Betonbrücken

7 Nachrechnung der Unterbauten

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Literatur

V: Instandsetzung von Betontragwerken

1 Einleitung

2 Volkswirtschaftliche Bedeutung

3 Technische Baubestimmungen

4 Strategien der Bauwerkserhaltung

5 Wartungs- und Instandhaltungsplanung

6 Schadensursachen

7 Bauwerks- und Bauschadensanalyse

8 Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen

9 Einsatz neuer Werkstoffe bei Instandsetzung und Verstärkung

10 Zusammenfassung

11 Literatur

VI: Geklebte Verstärkung mit CFK-Lamellen und Stahllaschen

1 Einleitung

2 DAfStb-Richtlinie

3 Bemessung von Verstärkungen mit aufgeklebten CFK-Lamellen

4 Beispiel 1: Verstärkung einer Platte mit aufgeklebten CFK-Lamellen

5 Bemessung von Verstärkungen mit in Schlitze verklebten CFK-Lamellen

6 Beispiel 2: Verstärkung eines Balkens mit in Schlitze verklebten CFK-Lamellen

7 Bemessung von Stützenverstärkungen durch CF-Gelege

8 Beispiel 3: Stützenverstärkung

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Literatur

VII: Konstruktiver Brandschutz nach den Eurocodes

1 Einführung

2 Brandschutzanforderungen nach Baurecht

3 Klassifizierung des Brandverhaltens

4 Brandschutznachweise nach den Eurocodes

5 Bemessung von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken

6 Beispiele

7 Zusammenfassung

8 Literatur

VIII: Sicherheit und Brandschutz im Tunnelbau

1 Schutzziele und Organisation der Sicherheit

2 Sicherheitsmaßnahmen

3 Modellierung und Brandbemessung im Tunnelbau

4 Verhalten und Bemessung von Beton und Stahl unter Brandeinwirkung

5 Brandschutzmaßnahmen

6 Inspektion und Ertüchtigung brandgeschädigter Tunnelschalen

7 Literatur

IX: Ultrahochfester Beton UHPC

1 Einführung

2 Grundlagen zur Herstellung ultrahochfester Betone

3 Mechanische Eigenschaften des Festbetons

4 Dauerhaftigkeit

5 Grundlagen der Bemessung

6 Verbindungen

7 Ausgeführte Beispiele

8 Danksagung

9 Literatur

X: Holz-Beton-Verbund

1 Einleitung

2 Baurechtliche Einordnung der Holz-Beton-Verbundbauweise

3 Geschichtliche Entwicklung der Bauweise

4 Systematik

5 Wirkungsweise

6 Funktionale Anforderungen und rechnerische Nachweisführung

7 Besondere Anforderungen an HBV-Decken, konstruktive Hinweise

8 Wirtschaftliche und ökologische Bewertung der Technologie

9 Anwendungsbeispiele

10 Zusammenfassung und Ausblick

11 Literatur

XI: Normen und Regelwerke

1 Einleitung

2 Technische Regeln des Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbaus

3 Listen und Verzeichnisse

4 Literatur

Stichwortverzeichnis

Hinweis des Verlages

Die Recherche zum Beton-Kalender ab Jahrgang 1980 steht

im Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de

Titelfoto: Hackesches Quartier, Berlin

Fotograf: Nicolas Janberg, www.structurae.de

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2013 Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.

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Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind.

ISBN 978-3-433-03000-4

Electronic version available. O-book ISBN 978-3-433-60259-1

ISSN 0170-4958

Vorwort

Der Beton-Kalender 2013 mit den Themenschwerpunkten „Lebensdauer und Instandsetzung“ und „Brandschutz“ zielt auf aktuelle Fragestellungen einer ganzheitlichen Betrachtung von Hochbau- und Ingenieurbauwerken ab. Bauwerke müssen sicher und über eine geplante Nutzungsdauer ein akzeptierbares Sicherheitsniveau aufweisen. Dabei muss die Gebrauchstauglichkeit und Funktionalität gewährleistet und unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit der Aufwand für die Instandhaltung angemessen sein.

Der Beton-Kalender 2013 stellt nicht nur eine erstklassige Wissensquelle zu spezifischen Themen dar, sondern bietet das aktuelle grundlegende Wissen zum lebensdauerorientierten Konstruieren, zum Nachrechnen von bestehenden Brücken, zur konstruktiven Instandsetzung, zum Brandschutz, zur Sicherheit im Tunnelbau, zum ultrahochfesten Beton sowie zum Holz-Beton-Verbund in übersichtlicher Form.

Wörner und Bergmeister beschreiben grundlegende Elemente der Sicherheit eines Bauwerkes und die damit zusammenhängende Akzeptanz eines verbleibenden Risikos basierend auf wahrscheinlichkeitstheoretischen Annahmen. Beispielhaft werden die Sicherheitskonzepte geklebter Glasfassaden angeführt. Nachdem in vielen europäischen Ländern, so auch in Deutschland ab Juli 2012, die Tragwerksplanung auf den Eurocodes mit den Nationalen Anhängen aufbaut, haben die Autoren die Ansätze für praxisgerechte Regelwerke diskutiert und den bestehenden Vorschlag von Cornelius (2012) für mittlere Sicherheitsbeiwerte bei den Einwirkungen auch für die Widerstandsseite erweitert.

Ahrens, Strauss, Bergmeister, Mark und Stangenberg behandeln das Thema von Entwurf, Konstruktion und Nachrechnung unter lebensdauerorientierten Gesichtspunkten sehr umfassend. Neben den Grundlagen und den mathematischen Beschreibungen der Lebensdauer sowie der Restnutzungsdauer werden die Aspekte für langzeitige Deteriorationssimulationen, für die Überwachung und das Monitoring, für Prognosen künftiger Zuverlässigkeiten und der damit verbundenen Unschärfen und Streuungen vermittelt. Ergänzt wird dieser Beitrag mit beispielhaften Anwendungen wahrscheinlichkeitstheoretischer Konzepte.

Gehlen und von Greve-Dierfeld geben Empfehlungen für eine modifizierte deskriptive Bemessung der Lebensdauer von Stahlbetonbauteilen über die, für gewöhnlich, konstruktive Sicherstellung der Dauerhaftigkeit hinaus. Sie gehen damit den Schritt von einer – im wahrsten Sinne des Wortes – natürlich gewachsenen Regelungspraxis zum wahrscheinlichkeitstheoretisch basierten Nachweiskonzept. Aufgrund des aktuellen Wissensstandes ist eine probabilistische Zustandsprognose und damit eine Dauerhaftigkeitsbemessung in wesentlichen Teilbereichen auf probabilistischer Basis möglich. Bei einer angenommenen Lebensdauer von 50 Jahren wurden die derzeitigen deskriptiven Konstruktionsregeln in DIN EN 206-1 und DIN EN 1992-1-1 überarbeitet. Auf dieser Grundlage haben die Autoren modifizierte deskriptive Regeln entwickelt, welche im Wesentlichen auf der Klassifizierung des Materialwiderstandes basieren. Dadurch können bei gegebener Exposition der Materialwiderstand und die Geometrie aufeinander abgestimmt werden.

Der Beitrag über die Nachrechnung von bestehenden Straßenbrücken aus Beton von Marzahn, Maurer, Zilch, Dunkelberg und Kolodziejczyk wurde auf der Grundlage der sog. Nachrechnungsrichtlinie der Bundesanstalt für Straßenwesen BASt (2011) erstellt. Darin werden vier Stufen von der Standardberechnung (Stufe 1) über den Einschluss von Sonderregelungen (Stufe 2) und die für die Praxis wichtige messwertgestützte Berechnung (Stufe 3) bis hin zur Einbeziehung von wissenschaftlichen Methoden bei komplizierten Fällen (Stufe 4) unterschieden.

Küchler fasst im Beitrag über die Instandsetzung von Betontragwerken den heutigen Stand des Wissens unter Einbindung von vielen praktischen Erfahrungen zusammen, wobei die weiteren Autoren Daus, Duda, Freitag, Graubner, Ritter, Schneider, Schnell, Tue und Zichner zugearbeitet haben. Im Rahmen der Erhaltungsplanung sind die Bauwerksaufnahme, das Monitoring und die Analyseverfahren von besonderer Bedeutung, weshalb neben einer ausführlichen Analyse möglicher Schadensursachen an Hoch- und Ingenieurbauten die Bewertungsmethoden und die unterschiedlichen Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen vorgestellt werden. Dabei werden die Vorgaben der Rili-SIB, der ZTV-ING und der DIN EN 1504 sowie die Anwendung am Bauwerk erläutert. Besonderes Augenmerk haben die Autoren auf die Instandsetzungsprinzipien und deren Anwendungsbereiche sowie den Umgang mit den unterschiedlichen Normenwerken gelegt. Abschließend werden neue Werkstoffe und Konstruktionsprinzipien ausführlich erläutert und die Verwendung von ultrahochfesten Betonen im Rahmen von Verstärkungsmaßnahmen, der Einsatz externer Vorspannung sowie die Spanngliedverankerung mit ultrahochfestem Feinmörtel aufgezeigt.

Zilch, Niedermeier und Finckh behandeln die geklebten Verstärkungen mit Kohlenstofffaserlamellen und Stahllaschen. Dabei werden die Regelungen der neuen einschlägigen DAfStb-Richtlinie mit ihren Hintergründen dargestellt, erläutert und anhand von Bemessungsbeispielen verdeutlicht.

Hosser, Richter und Kampmeier haben für den konstruktiven Brandschutz basierend auf den Eurocodes wichtige Teile daraus zusammengestellt. Dabei werden neue Möglichkeiten der Simulation natürlicher Brandverläufe behandelt, welche sich zum Teil deutlich vom Normbrand nach der Einheits-Temperaturzeitkurve ETK unterscheiden. Damit wird die Auslegung des konstruktiven Brandschutzes zu einer „echten“ Ingenieuraufgabe, wie die Autoren folgern. Deshalb werden die Naturbrandmodelle gemäß Eurocode 1-1-2 an dieser Stelle detailliert behandelt.

Bergmeister beschreibt die Sicherheit und den Brandschutz im Tunnelbau. Aufbauend auf den Erfahrungen mit großen Tunnelprojekten hat der Autor die Sicherheitsmaßnahmen in 5 Gruppen eingeteilt: ereignisverhindernde, ereignismindernde, solche zur Erleichterung der Selbstrettung, zur Erleichterung der Fremdrettung und zur Erleichterung der Schadensbekämpfung und -behebung. Die Auswirkungen von Brandereignissen auf Baustoffe sowie auf Tunnelschalen aus Beton werden ebenso behandelt wie Brandbekämpfungsanlagen.

Fehling, Schmidt, Walraven, Leutbecher und Fröhlich haben den aktuellen Wissensstand über ultrahochfesten Beton UHPC (ab 150 N/mm²) zusammengestellt. Dabei wurden die Grundlagen zur Herstellung ultrahochfester Betone und neue Forschungsergebnisse zur Optimierung der Gefügedichte und zur Verarbeitung eingearbeitet. Wichtig sind auch die Prüfmethoden von Frischund Festbeton sowie die Normenhinweise. Ausgeführte Beispiele zum Brücken- und Hochbau runden den Beitrag ab.

Holschemacher, Selle, Schmidt und Kieslich haben das Thema Holz-Beton-Verbund aufgearbeitet. Diese Bauart wird vielfach zur Ertüchtigung im Hochbau angewandt und hat damit eine spezielle Aktualität auch für das Bauen im Bestand. Im Beitrag werden das Tragverhalten, die Versagensmechanismen und die funktionalen Anforderungen an den Beton, das Holz und die Verbindungsmittel dargestellt. Die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit in Bezug auf Verformungen und Schwingungen werden behandelt und einige Ausführungsbeispiele angeführt.

Im Kapitel Normen und Regelwerke von Fingerloos findet man wertvolle Hinweise aus den Richtlinien und Normen. Zunächst werden Erläuterungen und Hinweise zur A1-Änderung des Nationalen Anhangs DIN EN 1992-1-1/NA (Eurocode 2) von 2012 gegeben. Für die „Heißbemessung“ im Brandfall wird sicherlich auch weiterhin von den Tragwerksplanern der Nachweis der Feuerwiderstandsklassen nach Konstruktionsregeln in Tabellen (Stufe 1) bevorzugt. Vor diesem Hintergrund wird eine zusammenfassende Darstellung der wichtigsten Bemessungstabellen aus DIN EN 1992-1-2 und aus DIN 4102-4 (sinngemäß und redaktionell auf den Eurocode 2 angepasst) mit Beispielen zur Verfügung gestellt.

Der Beton-Kalender 2013 ist ein umfassendes Nachschlagewerk zu den eingangs genannten Schwerpunktthemen mit hohem Aktualitätsgrad und Fachniveau. Im Bewusstsein dessen, dass die Zeit immer gleich langsam vergeht, jedoch das Studium und Nachschlagen zunehmend als Schnell-Lesen absolviert werden müssen, versuchen die Herausgeber und Autoren mit dem Beton-Kalender praktisches, anwendungsorientiertes und grundlegendes Wissen in gebündelter Form zu bieten.

Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister, Wien
Dr.-Ing. Frank Fingerloos, Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt
September 2012

Anschriften

1

Autoren

Ahrens, Mark Alexander, Dr.-Ing.

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Massivbau

Universitätsstraße 150

44780 Bochum

Bergmeister, Konrad, Prof. Dipl.-Ing. DDr.

Ingenieurbüro Bergmeister

Peter-Jordan-Straße 113

1180 Wien

Österreich

Dunkelberg, Daniel, Dipl.-Ing.

Technische Universität München

Lehrstuhl für Massivbau

Theresienstraße 90

80333 München

Finckh, Wolfgang, Dr.-Ing.

Wayss & Freytag Ingenieurbau AG

Eschborner Landstraße 130–132

60489 Frankfurt am Main

Gehlen, Christoph, Prof. Dr.-Ing.

Technische Universität München

cbm – Centrum Baustoffe und Materialprüfung

Baumbachstraße 7

81245 München

von Greve-Dierfeld, Stefanie, Dipl.-Ing.

Technische Universität München

cbm – Centrum Baustoffe und Materialprüfung

Baumbachstraße 7

81245 München

Kolodziejczyk, Agnieszka, Dipl.-Ing.

Technische Universität Dortmund

Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen

August-Schmidt-Straße 8

44227 Dortmund

Küchler, Michael, Dr.-Ing.

König, Heunisch Planungsgesellschaft mbH & Co. KG

Oskar-Sommer-Straße 15–17

60596 Frankfurt/Main

Mark, Peter, Prof. Dr.-Ing. habil.

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Massivbau

Universitätsstraße 150

44780 Bochum

Marzahn, Gero, Dr.-Ing.

Landesbetrieb Straßenbau NRW

Abt. Konstruktiver Ingenieurbau

Wildenbruchplatz 1

45888 Gelsenkirchen

Maurer, Reinhard, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Technische Universität Dortmund

Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen

August-Schmidt-Straße 8

44227 Dortmund

Niedermeier, Roland, PD Dr.-Ing. habil.

Technische Universität München

MPA Bau

Theresienstraße 90

80333 München

Stangenberg, Friedhelm, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Massivbau

Universitätsstraße 150

44780 Bochum

Strauss, Alfred, assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr.

Universität für Bodenkultur Wien

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Peter-Jordan-Straße 82

1190 Wien

Österreich

Wörner, Johann-Dietrich, Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

Linder Höhe

51145 Köln

Zilch, Konrad, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h.

Technische Universität München

Theresienstraße 90

80333 München

Schriftleitung

Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister

Universität für Bodenkultur Wien

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Peter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien

Dr.-Ing. Frank Fingerloos

Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.

Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.

Johann-Dietrich Wörner

Technische Universität Darmstadt

Karolinenplatz 5, 64289 Darmstadt

Verlag

Ernst & Sohn

Verlag für Architektur und technische

Wissenschaften GmbH & Co. KG

Rotherstraße 21, 10245 Berlin

www.ernst-und-sohn.de

Anschriften

2

Autoren

Bergmeister, Konrad, Prof. Dipl.-Ing. DDr.

Ingenieurbüro Bergmeister

Peter-Jordan-Straße 113

1180 Wien

Österreich

Fehling, Ekkehard, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Universität Kassel

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Fachgebiet Massivbau

Kurt-Wolters-Straße 3

34109 Kassel

Fingerloos, Frank, Dr.-Ing.

Deutecher Beton- und Bautechnik-Vernein E.V.

Kurfürstenstraße 129

10785 Berlin

Fröhlich, Susanne, Dipl.-Ing.

Universität Kassel

Fachbereich Bauingenieurwesen

Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie

Mönchebergstraße 7

34125 Kassel

Holschemacher, Klaus, Prof. Dr.-Ing.

Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig

Institut für Betonbau (IfB)

Karl-Liebknecht-Straße 132

04277 Leipzig

Hosser, Dietmar, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Technische Universität Braunschweig

Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)

Beethovenstraße 52

38106 Braunschweig

Kampmeier, Björn, Prof. Dr.-Ing.

Hochschule Magdeburg-Stendal

Fachbereich Bauwesen

Konstruktiver Brandschutz und Baukonstruktion

Breitscheidstraße 2

39114 Magdeburg

Kieslich, Hubertus, M. Sc. Dipl.-Ing. (FH)

Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig

Institut für Betonbau (IfB)

Karl-Liebknecht-Straße 132

04277 Leipzig

Leutbecher, Torsten, Dr.-Ing.

Akademischer Rat

Universität Kassel

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Fachgebiet Massivbau

Kurt-Wolters-Straße 3

34125 Kassel

Richter, Ekkehard, Dr.-Ing.

Technische Universität Braunschweig

Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB)

Beethovenstraße 52

38106 Braunschweig

Schmidt, Jörg, Dr.-Ing. habil.

MFPA Leipzig GmbH

Hans-Weigel-Straße 2b

04319 Leipzig

Schmidt, Michael, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.

Universität Kassel

FB 14

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

FG Werkstoffe des Bauwesens

Mönchebergstraße 7

34125 Kassel

Selle, Ricky, Dipl.-Wirtsch.-Ing.

Selle & Fromm Planungsgesellschaft mbH

Shakespearestraße 52

04107 Leipzig

Walraven, Joost C., Prof. Dr. ir.

Technische Universität Delft

Civil Engineering and Geosciences

Design and Construction

Structural and Building Engineering

Stevinweg 1, Building 23

2628 CN Delft

Niederlande

Schriftleitung

Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister

Universität für Bodenkultur Wien

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Peter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien

Dr.-Ing. Frank Fingerloos

Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.

Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.

Johann-Dietrich Wörner

Technische Universität Darmstadt

Karolinenplatz 5, 64289 Darmstadt

Verlag

Ernst & Sohn

Verlag für Architektur und technische

Wissenschaften GmbH & Co. KG

Rotherstraße 21, 10245 Berlin

www.ernst-und-sohn.de

Beiträge früherer Jahrgänge (1990–2012)

Eine vollständige Liste ist im Internet unter www.ernst-und-sohn.de recherchierbar.

* Ab dem 92. Jahrgang (2003) treten die Bandbezeichnungen 1 und 2 an die Stelle von Teil I und II.

I

Sicherheit, Risikoakzeptanz, Nutzungs-, Lebensdauer und das richtige Maß

Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt

Konrad Bergmeister, Wien

1 Begriffsbestimmungen und Einführung

Bauwerke müssen sicher sein. Dies ist eine der grundlegendsten Anforderungen an das technische Erzeugnis Bauwerk. Eng hängt die Definition der Sicherheit mit der Akzeptanz des verbleibenden Risikos zusammen. Als Lebensdauer für Bauwerke und technische Anlagen wird der Zeitraum bis zum Erreichen eines noch akzeptablen Sicherheitsniveaus bezeichnet.

Die Nutzungsdauer, oft als geplante Nutzungsdauer (design working life) bezeichnet, definiert die nutzbare Zeit unter Gewährleistung der Funktionalität unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit. Dabei muss der Aufwand für die Instandhaltung und der mögliche Ersatz oder die Erneuerung einer baulichen Anlage in einem angemessenen, wirtschaftlich vertretbaren Verhältnis stehen. Allgemein wird vorausgesetzt, dass die technische Lebensdauer „t_tlf“ mindestens gleich oder größer als die geplante Nutzungsdauer „t_n“ ist [1].

(1)

Diese Betrachtung zeigt die enge Verflechtung der Begriffe. Die Vorgehensweise bei einem Nachweis für eine technische Lebensdauer oder bei einer geplanten Nutzungsdauer ist vom schöpferischen Prozess des Strukturentwurfs, von den Baustoffen, den Baukonstruktionen, den Einwirkungen und ihren zeitlichen Auswirkungen auf die Eigenschaften von Baustoffen und Bauteilen sowie noch einigen nicht identifizierbaren oder quantifizierbaren Parameter abhängig. Im Vergleich zu anderen technischen Erzeugnissen wird die Frage der ausreichenden Sicherheit und der Lebensdauer von Bauwerken in der Regel aber nicht mehr von der Öffentlichkeit wahrgenommen. Dies obwohl Forderungen zum Nachweis einer bestimmten Lebensdauer eines Bauwerks sowohl eine technische als auch eine juristische Bedeutung haben. Anforderungen an Bauwerke und spezifisch auch an die Lebensdauer werden in Europa in den Eurocodes sowie national, wie beispielsweise in Deutschland und Österreich, in den Landesbauordnungen geregelt.

1.1 Nutzungsdauer, Lebensdauer

In den Eurocodes werden die Grenzzustände der Tragsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit über eine bestimmte Nutzungsdauer definiert. Dabei werden für diese Grenzzustände bestimmte Zuverlässigkeiten gefordert und die maximal akzeptierbaren Versagenswahrscheinlichkeiten bzw. die minimalen Sicherheitsindizes über eine bestimmte Lebensdauer definiert. Das Niveau dieser Versagenswahrscheinlichkeit wurde unter Berücksichtigung bestimmter Gesichtspunkte des akzeptablen Risikos festgelegt.

In Abschnitt 2.1 der EN 1990 (Basis of structural design) wird definiert:

„Ein Tragwerk ist so zu planen und auszuführen, dass es während der Errichtung und in der vorgesehenen Nutzungszeit mit angemessener Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit den möglichen Einflüssen standhält und die geforderten Gebrauchstauglich-keitseigenschaften behält. Bei der Planung und Berechnung des Tragwerks sind ausreichende Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit zu beachten.“

Zur Gewährleistung einer definierten Zuverlässigkeit über eine technische Lebensdauer von Bauwerken müssen nun die einzelnen Bauteile, die Verbindungselemente und die Bausysteme eine definierte Qualität aufweisen. Durch die Normen werden die Sicherheitsstandards der gängigen Bauteile abgebildet. Im Falle von Bauprodukten, für die es keine normenmäßige Erfassung der Wirkungsweisen und der Bemessung gibt, wurden auf europäischer Ebene durch die EOTA entsprechende Leitlinien oder CUAPs für europäische technische Zulassungen (Guidance Documents) herausgeben. Folgende Dokumente sind in Bezug auf die Nutzungsdauer relevant:

Am 4. April 2011 wurde die neue Bauproduktenverordnung (EU 305/20 011) im Europäischen Amtsblatt veröffentlicht. Sie löst die Bauproduktenrichtlinie ab, die bisher die rechtliche Grundlage der CE-Kennzeichnung war. Diese Verordnung ersetzt ab 1. Juli 2013 die alte Ratsrichtlinie 89/106/EWG, die sogenannte Bauproduktenrichtlinie (BPR) aus dem Jahr 1988. In Österreich erfolgte die Umsetzung durch das Bauproduktengesetz (BauPG). Im Anhang 1 der europäischen Bauproduktenverordnung werden die Grundanforderungen an Bauwerke treffend beschrieben:

„Bauwerke müssen als Ganzes und in ihren Teilen für deren Verwendungszweck tauglich sein, wobei insbesondere der Gesundheit und der Sicherheit der während des gesamten Lebenszyklus der Bauwerke involvierten Personen Rechnung zu tragen ist. Bauwerke müssen diese Grundanforderungen an Bauwerke bei normaler Instandhaltung über einen wirtschaftlich angemessenen Zeitraum erfüllen.“

Wesentlich ist auch die Bedeutung der Lebensdauer und des Instandsetzungsaufwandes [2], wobei der Begriff der Instandhaltung aus der zurückgezogenen DIN VDE 31000-2 [3] zitiert wird (ID 1.3.3):

„(1) Instandhaltung ist ein Bündel von vorbeugenden und sonstigen Maβnahmen, die an dem Bauwerk durchgeführt werden, damit es während der Nutzungsdauer all seine Funktionen erfüllen kann.

(2) Normale Instandhaltung schlieβt in der Regel Inspektionen ein und findet zu einem Zeitpunkt statt, zu dem die anfallenden Kosten unter Berücksichtigung der Folgekosten in einem angemessenen Verhältnis zum Wert des betreffenden Teils des Bauwerks stehen.“

Die Zeitspanne, in welcher ein Bauwerk mit einer bestimmten Zuverlässigkeit die geforderte Funktionalität bzw. die geforderte Nutzbarkeit erfüllt, wird als Nutzungsdauer bezeichnet (ID 1.3.5)

„(1) Die Nutzungsdauer ist der Zeitraum, während dessen die Leistungsfähigkeit des Bauwerks (oder seiner Teile) auf einem Stand gehalten wird, der mit der Erfüllung der wesentlichen Anforderungen im Einklang steht.

(2) Eine wirtschaftlich angemessene Nutzungsdauer setzt voraus, dass alle maβgeblichen Faktoren (unter Berücksichtigung von Aufwand und Nutzen) berücksichtigt werden, wie z. B.:

– Entwurfs-, Bau- und Nutzungskosten,

– durch verhinderte Nutzung entstehende Kosten,

– Risiken und Folgen des Versagens des Bauwerks während seiner Nutzungsdauer und Versicherungskosten zur Deckung dieser Risiken,

– planmäβige Teilerneuerung,

– Inspektions-, Instandhaltungs-, Wartungs- und Reparaturkosten,

– Betriebs- und Verwaltungskosten,

– Entsorgung,

– Umweltaspekte.“

In der EN 1990:2002 wird die geplante Nutzungsdauer wie folgt definiert:

„Angenommene Zeitdauer, innerhalb derer ein Tragwerk unter Berücksichtigung vorgesehener Instandhaltungsmaβnahmen für seinen vorgesehenen Zweck genutzt werden soll, ohne dass eine wesentliche Instandsetzung erforderlich ist.“

In der ISO 8930:1991 [4] wird die Nutzungsdauer von Bauwerken wie folgt definiert (GP F 3.1):

„Die Nutzungsdauer von Bauwerken ist der Zeitraum, über den die Leistung der Bauwerke auf einem der Erfüllung der wesentlichen Anforderungen angemessenen Niveau aufrechterhalten werden soll.“

Insgesamt kann festgehalten werden, dass Bauprodukte einen wesentlichen Einfluss auf die Nutzungsdauer der daraus hergestellten Bauwerke haben.

Ganz wesentlich ist, dass die Nutzungs- bzw. die Lebensdauer von Bauwerken vom Systementwurf und damit von der Genialität des planenden Ingenieurs abhängt. Die Nutzungsdauer und Dauerhaftigkeit von Bauprodukten sind mitbestimmend, weshalb in den europäischen technischen Spezifikationen, in den harmonisierten europäischen Normen (hEN) und in den europäischen technischen Zulassungen (ETA) die Dauerhaftigkeit von Bauprodukten festgeschrieben wurde. Allgemein wird die Dauerhaftigkeit von Bauprodukten über die Funktionalität unter definierten Anwendungsbedingungen für eine bestimmte Nutzungsdauer, beschrieben. Die Nutzungsdauer wird auf der Grundlage von Erfahrungswerten, sowie von wissensbasierten statistisch abgesicherten Datensätzen, festgelegt. Für die Nutzungsdauer gibt es aber keine gesetzliche Absicherung oder Gewährleistung eines Herstellers für eine konkrete Anwendung.

Die grundlegenden Systementscheide mit den Werkstoffauswahlen, den eingeprägten Spannungs- und Verformungszuständen bedingt durch die Herstellung und den Bau sind die Basisvoraussetzungen für die Nutzungsdauer. Für die verschiedenen Ingenieurbauwerke gibt es eine Serie von Monitoring- und Managementsystemen zur Inspektion und Erhaltung während der Nutzungsdauer. Ziel ist es dabei, während der Nutzungsdauer die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines bestimmten Sicherheitsniveaus (z. B. Tragfähigkeit: P_f< 10^–6/Jahr; Gebrauchstauglichkeit: P_f < 10^–3/Jahr) zu gewährleisten und Schäden zu vermeiden.

Die Nutzungsdauer wird manchmal auch als konstruktive Lebensdauer „structural lifetime“ bezeichnet [5].

Die geplanten Nutzungsdauern von Bauwerken oder Bauteilen werden im Eurocode EN 1990: 2002, Tabelle 2.1 angeführt.

Die Lebensdauer „t_lf“ von Ingenieurtragwerken umspannt die gesamte Zeit vom schöpferischen Prozess eines Entwurfs über die Planungen, Genehmigungen, Bau, Inbetriebnahme, Betrieb bis hin zum Abbruch.

(2)

Tabelle 1. Angaben zu geplanten Nutzungsdauern von Bauwerken oder Bauteilen nach Eurocode EN 1990:2002, Tabelle 2.1

Entscheidend für die Lebensdauer sind die Qualitäten des Entwurfs, der Planung und des Baus. Diese „Lebensphasen“ müssen entsprechend sorgfältig mit bestem Ingenieurwissen in einem respektvollen Umgang mit anderen Wissensgebieten, der Natur und den Ressourcen betreut werden. Jede dieser Lebensphasen müssen Kosten zugeordnet werden. Die Kostenstruktur eines Projekts kann wie folgt angegeben werden [6]:

(3)

mit

Der Vektor „p“ beschreibt sämtliche Bemessungsparameter für eine bestimmte Nutzungsdauer.

Die Gleichung der Kostenstruktur wurde in der Literatur in Zusammenhang mit verschiedenen Grenzzustandsfunktionen beschrieben.

Der Begriff der Lebenszykluskosten umfasst wiederum den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks, vom Entwurf über die Herstellung, den Betrieb über die Instandhaltung, den Abbruch und die Entsorgung. Dabei werden alle Kostenanteile summativ erfasst. In Deutschland wurde der Begriff der Lebenszykluskosten als Kriterium für nachhaltige Gebäude [7] eingeführt. Dabei führen König et al. [8] Folgendes aus: „Für die Lebenszykluskostenberechnung werden die – total cost of ownership – also die Kosten eines selbstnutzenden Eigentümers verstanden“. Dabei stehen für die Berechnung der Lebenszykluskosten (Life Cycle Costing) für den Gebäudebereich sowohl Methoden als auch Datenbanken zur Prognose der Nutzungskosten zur Verfügung [9, 10].

1.2 Sicherheit – Risiko

Die Sicherheit eines Bauwerks und die damit zusammenhängende Akzeptanz eines verbleibenden Risikos basiert auf wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen. Dabei wird die Aufrechterhaltung der Funktionen in Bezug auf Grenzzustände gefordert. Der Begriff der Sicherheit findet sich auch in verschiedenen technischen Normen. Beispielhaft genannt seien DIN EN 61508-4 [11], DIN EN 14971 [12] oder DIN VDE 31000-2 [3]. Die DIN VDE 31000-2 versteht unter Sicherheit S eine Sachlage, bei der das vorhandene Risiko vorh Risk nicht größer als das Grenzrisiko zul Risk ist:

(4)

Die Sicherheit im Allgemeinen ist systemisch gestaffelt und steht in Zusammenhang mit den Ausgaben zur Gewährleistung für Sicherheit, mit gesetzlichen Regelungen und mit der gesellschaftlichen Risikoakzeptanz [13].

Ein Bauwerk wird als sicher eingestuft, wenn bei vergleichbaren Situationen das vorhandene Risiko ein von der Gesellschaft akzeptiertes verbleibendes Risiko nicht übersteigt (DIN 1055-9, Abs. 5.1 (3), Eurocode 1).

Mathematisch definiert man Risiko im klassischen Sinne als Produkt aus der Wahrscheinlichkeit (Häufigkeit) „P“ eines schadenserzeugenden Ereignisses und dem Schaden bzw. der Konsequenz C, der/die durch das Ereignis verursacht wird:

(5)

Bild 1. Staffelung von Sicherheitskonzepten (aus [13])

Die Definitionen des Begriffs Risiko können wie folgt kurz beschrieben und klassifiziert werden nach [15, 16]:

1. Risiko als Wahrscheinlichkeit eines Schadens,

2. Risiko als Ausmaß eines Schadens,

3. Risiko als Funktion von Wahrscheinlichkeit und Ausmaß des Schadens,

4. Risiko als Varianz der Wahrscheinlichkeitsverteilung aller möglichen Konsequenzen einer Entscheidung,

5. Risiko als Semivarianz der Wahrscheinlichkeitsverteilung aller möglichen Konsequenzen einer Entscheidung,

6. Risiko als gewichtete lineare Kombination der Varianz und des Erwartungswertes der Wahrscheinlichkeitsverteilung aller möglichen Konsequenzen einer Entscheidung.

Als einen Sonderfall beinhaltet der Begriff des Risikos den Begriff des Grenzrisikos. Dieser Begriff war z. B. Inhalt der Definition des Begriffs Sicherheit. Unter dem Vergleichs- oder Grenzrisiko versteht man allgemein jenes Risiko, welches von der Gesellschaft gerade noch toleriert wird bzw. welches implizit durch die Technik akzeptiert wird [16].

1.3 Verbleibendes Risiko, F-N-Diagramme

Die Gefahren zu akzeptieren hat ein bewusst akzeptiertes verbleibendes Risiko zur Folge. Aufgrund der subjektiv unerkannten, der vernachlässigten Gefahren und aufgrund von nicht geeigneten Maßnahmen entstehen die durch menschliche Fehlhandlungen verbleibenden Risiken. Diese verbleibenden Risiken sind ein vorhandener Bestandteil unseres Lebens und sollten durch entsprechende Vorkehrungen so klein wie möglich gehalten werden. Das vorhandene verbleibende Risiko umfasst die bewusst akzeptierten und die aus menschlichen vielfältigen Fehlhandlungen resultierenden Risiken.

Dabei werden drei Ebenen unterschieden:

Das von der Gesellschaft akzeptierte Risiko kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

(6)

mit

Die Erfahrung und Beobachtung der gesellschaftlichen Reaktionen nach verschiedenen Katastrophen zeigt, dass der Mensch die Höhe des akzeptablen Risikos von subjektiven Überlegungen abhängig macht.

Bei der Beurteilung der Sicherheit muss zwischen der subjektiven Wahrnehmung und den Eintretensfällen von Versagen oder Todesfällen bewusst unterschieden werden. Soll der Risikoparameter als Sicherheitsparameter erfolgreich eingesetzt werden, so muss er das Sicherheitsempfinden und -bedürfnis der Bevölkerung in ausreichendem Maß widerspiegeln. Zur Verbesserung der subjektiven Risikobewertung, die auch als Risikoaversion bezeichnet wird, wurden sogenannte F-N-Diagramme entwickelt [17]. Die Risikoforschung erhielt damals große Impulse durch den Bau von Atomkraftwerken. Besonders bekannt wurden F-N-Diagramme im sogenannten Rasmussen-Report Anfang der 70er-Jahre des letzten Jahrhunderts.

Bild 2. Gefährdungspotenzial

Heute werden solche F-N-Diagramme vielfach zur Beurteilung der Sicherheit in Tunneln verwendet.

Zur Entwicklung eines solches Diagramms werden zunächst Daten über Unfälle mit Angabe der Schäden bzw. Opfer in der Vergangenheit oder Berechnungen benötigt, die solche Daten ergeben. Die Daten, Opferanzahl und Unfallauftretenshäufigkeit werden zunächst nach steigender Opferanzahl sortiert. Anschließend werden die Daten kumuliert, d. h. die Häufigkeit für die Opferzahl N und mehr bestimmt und sortiert. Diese Datenpaare werden grafisch in dem F-N-Diagramm dargestellt.

Der Nachweis der ausreichenden Sicherheit erfolgt mithilfe der F-N-Diagramme. Für den Nachweis werden Vergleichslinien benötigt, die für eine Vielzahl von besonderen Ereignissen entwickelt wurden. Dabei können durch diese Zielkurven akzeptable und nicht akzeptable Bereiche definiert werden. Dazwischen kann noch ein Bereich, der unter gewissen Bedingungen zulässig ist, ein sogenannter ALARP-Bereich, ausgewiesen werden (as low as reasonable possible). Trägt man nun die ermittelte Kurve in ein solches Diagramm ein, erkennt man, ob die Kurve in einem zulässigen Bereich liegt [18].

Inzwischen wurden verschiedene Varianten entwickelt, wo auf der x-Achse bei F-D-Diagrammen der Schaden, bei F-PAR-Diagrammen die Anzahl der Menschen in einem gefährdeten Bereich, die F-t-Diagramme die Zeit, um die Schäden zu beseitigen und bei F-E-Diagrammen der Energieverlust angegeben werden. Neben dem direkten Nachweis der Sicherheit über F-N-Ziellinien ist es auch möglich, aus den Diagrammen Zielwerte für Sterbe- oder Versagenswahrscheinlichkeiten zu ermitteln. So kennt man heute Diagramme, die auf der x-Achse die Schadenskosten, einen Schadensparameter aus verschiedenen anderen Parametern, die Anzahl durch den Schaden betroffener Menschen (PAR) oder die Zeit bzw. die Kosten für die Schadensbeseitigung zeigen.

Vrijling et al. [19] haben durch Umformungen der Formeln von F-N-Kurven und durch die Wahl gewisser Annahmen eine Gleichung entwickelt, mit der man invers die operative Zielversagenswahrscheinlichkeit P_f von Bauwerken ermitteln kann. Vrijling et al. geben zunächst folgende Formel für ein akzeptables Risiko an:

(7)

Bild 3. Beispiel einer Nachweiskurve (Groningen-Kurve 1978, aus [13])

mit

Weiterhin soll gelten:

(8)

(9)

mit

Das Prinzip „Technisches Risiko ist die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadens multipliziert mit dem Schadensumfang“, wird in der Ingenieurpraxis einerseits indirekt durch Teilsicherheitsbeiwerte bei der Bemessung und andererseits durch konstruktive Regeln umgesetzt [20]:

Mittels integrierten Ansätzen bei den Sicherheitskonzepten (s. Abschn. 3.1 Gesellschaftliche Relevanz) können auch die Aspekte des zeitlichen Verhaltens über die Nutzungsdauer und der gesellschaftlichen Relevanz berücksichtigt werden.

1.4 Lebensqualitätsparameter

Mit den F-N-Diagrammen können technische und natürliche Risiken erfasst und beispielsweise für Tunnelprojekte sinnvoll eingesetzt werden. Bei gesundheitlichen Risiken müssen aber der Lebensraum und die Umweltbedingungen des Menschen berücksichtigt werden. Zusätzlich haben auch soziale Umstände und Netzwerke eine Auswirkung auf die mittlere Lebenserwartung. Diese Erkenntnis führt dazu, die Art und Weise, wie wir leben, also unsere Lebensqualität als ein Risikomaß für Menschenleben zu verstehen. Die Definition des Begriffes Lebensqualität ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. In der Dissertation von Hoffmann-Koch [21] wurde die Lebensqualität als Messparameter im medizinischen Bereich untersucht und allgemein im Konsens mit anderen Autoren [22, 23] folgendermaßen definiert:

Hierbei wird die Lebensqualität primär aus der Sicht der Betroffenen im Sinne einer erlebten Gesundheit betrachtet, was einer gesundheitsbezogenen Lebensqualität entspricht.

Wichtig ist aber neben der passiven Empfindung die aktive Gestaltung der Lebensqualität [24].

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird mit Qualität des Lebens vorwiegend der Grad des Wohlbefindens eines Menschen oder einer Gruppe von Menschen beschrieben und der unmittelbare Lebensraum damit verstanden.

Der Lebensqualitätsparameter von Nathwani, Lind, Pandey [25] gestattet im Bauwesen z. B. die Beurteilung von baulichen Verstärkungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Effektivität. Dabei wird allerdings nicht die Lebensqualität einer einzelnen Person berücksichtigt, sondern jene innerhalb einer Region oder eines Landes. Sinnvoll sind diejenigen Maßnahmen, die zu einer Erhöhung der Lebensqualität führen.

Vernachlässigt man aber diese langfristige Entwicklung und geht stattdessen davon aus, dass die Veränderung der Lebensqualität allein durch die geplante Maßnahme erfolgt, dann kann man basierend auf dem Lebensqualitätsindex eine Formel entwickeln, die die maximalen Kosten einer baulichen Schutzmaßnahme in Abhängigkeit verschiedener Parameter angibt:

(10)

mit

Die Lebensqualitätsparameter stehen in einem Verhältnis mit den Schutzmaßnahmen für den Lebensraum, die der Gesetzgeber festlegt. Dabei genügt aber nicht nur die Definition von Grenzwerten, sondern diese müssten auch überwacht und Korrekturmaßnahmen vollzogen werden. Beispielhaft werden Lebensräume in der Nähe von Hochleistungsautobahnen mit viel Güterverkehr erwähnt, wo nur durch eine quantitative Limitierung eine Verbesserung eintreten kann. Dies kann jedoch volkswirtschaftliche Konsequenzen hervorrufen. Eine konsequente Verbesserung könnte durch eine Verlagerung des Güterverkehrs von der Straße auf die Bahn erreicht werden, wodurch die Volkswirtschaft aufrecht erhalten und der Lebensraum gezielt verbessert werden kann [28]. Die Durchführung von Schutzmaßnahmen verursacht Kosten und kann bei Infrastrukturprojekten nur über die Betrachtung über den gesamten Nutzungsraum zu einem ausgewogeneren Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen führen.

Bild 4. Pro-Kopf-Einkommen, mittlere Lebenserwartung und Lebensqualitätsindex für 170 Länder (aus [26, 27])

2 Zuverlässigkeit und Sicherheitskonzepte im Konstruktiven Ingenieurbau

2.1 Zuverlässigkeitsmethoden

Die Zuverlässigkeit einer Konstruktion ist durch die Einwirkung S und durch deren Widerstand R charakterisiert. Für statische Fälle tritt Versagen dann ein, wenn der Widerstand kleiner als die Einwirkung wird: S < R. Versagen an einer Struktur ist nicht unbedingt an den Verlust der Tragsicherheit gebunden. Versagen kann sich auf den Verlust der Gebrauchstauglichkeit (z. B. Durchbiegungen, Schwingungen etc.) als auch auf den Verlust von allgemeinen Anforderungen (z. B. Lärmemission, Wirtschaftlichkeit, Ästhetik etc.) beziehen. Hierzu werden je nach Anforderung Grenzzustandsfunktionen g = R – S ≥ 0 definiert, die den Versagensbereich vom Überlebensbereich trennen.

Bei der Beurteilung von Konstruktionen ist es wesentlich, zwischen den beiden Begriffen Sicherheit und Zuverlässigkeit klar zu unterscheiden. Sicherheit, ein qualitativer Begriff, bezieht sich in erster Linie auf das Risiko von Personenschäden. Zuverlässigkeit ist hingegen eine quantifizierbare Größe und wird daher ursächlich mit Konstruktionen, Objekten, Prozessen in Verbindung gebracht.

Die klassische Zuverlässigkeitstheorie berücksichtigt im Allgemeinen nicht Versagensfälle aus menschlichen Fehlleistungen. Grund dafür ist, dass menschliche Fehlleistungen nur sehr schwer quantifizierbar sind und menschliche Fehlleistungen nur durch erhöhte Qualitätssicherung reduziert werden können.

Die Ermittlung der Zuverlässigkeit einer Konstruktion ist mit der Auswertung der Grenzzustandsbedingung – Integration des Versagensbereiches g < 0 – verbunden. Diese Aufgabe ist mittels folgender Verfahren lösbar:

Die analytischen Verfahren können nur für Grenzzustandsformulierungen herangezogen werden, welche wenige Variable beinhalten. Aus diesem Grund ist das Verfahren für übliche Konstruktionen des Ingenieurbaus unpraktikabel.

Die direkte Integration ist ebenfalls nur für einen beschränkten Kreis an Anwendungen geeignet, da der Rechenaufwand für eine steigende Anzahl an Zufallsvariablen und für unregelmäßige Formen des Integrationsgebietes D_f dramatisch ansteigt.

Die Näherungsverfahren bedienen sich meist einer Approximation der Grenzzustandsfunktion durch eine Ersatzfunktion im Bereich des Bemessungspunktes. Dies bringt den Vorteil, dass die Versagenswahrscheinlichkeit P_f in geschlossener Form berechnet werden kann.

Das First-Order-Second-Moment(FOSM)-Verfahren nähert die Grenzzustandsfunktion durch eine lineare Funktion im Bemessungspunkt an und bedient sich bei den Rechenroutinen der statistischen Momente 1. und 2. Ordnung [29]. Die Verfahren nach Basler und Cornell bzw. Hasofer und Lind beruhen auf diesen Grundsätzen.

Für das FOSM-Verfahren werden Taylorreihenentwicklungen zur Approximation der Grenz-zustandsfunktion verwendet. Wird die Taylorreihe nach dem ersten Term abgebrochen, spricht man von Näherungsverfahren der Zuverlässigkeitstheorie 1. Ordnung (First Order Reliability Method FORM) bzw. wird die Taylorreihe nach dem zweiten Term abgebrochen, spricht man von dem Näherungsverfahren 2. Ordnung (Second Order Reliability Method SORM). Im Normenwesen werden die Verfahren 1. Ordnung sehr häufig zur Kalibrierung der Bemessungswerte herangezogen. Sie werden in den Europäischen Normen als Stufe-II-Verfahren bezeichnet.

Neben den bisher erwähnten analytischen Verfahren zur Lösung der wahrscheinlichkeits-theoretischen Problemstellungen existiert auch die Klasse der Simulationsverfahren, welche sich zur Lösung der wahrscheinlichkeitstheoretischen Problemstellung statistischer Mittel bedient. Mittels wiederholter Einzelberechnungen ist es möglich, durch Vergleich der Versagensfälle mit den Überlebensfällen, die Versagenswahrscheinlichkeit P_f abzuleiten. Zu den bekanntesten Verfahren dieser Klasse gehört die Monte-Carlo-Simulation, gefolgt von zahlreichen weiterentwickelten Techniken zur Reduktion der Sampleanzahl. In den Europäischen Normen werden diese Methoden als Stufe-III-Verfahren bezeichnet.

In der direkten Verknüpfung mit nichtlinearen Finiten Elementen können mittels eines Interaktionsalgorithmus bei jedem Lastschritt die entsprechenden Wahrscheinlichkeiten eines Versagens bzw. das Zuverlässigkeitsniveau bestimmt werden [30].

2.2 Nachweiskonzepte im Ingenieurbau

Die Bemessung von Baukonstruktionen erfolgt auf der Grundlage des semiprobabilistischen Sicherheitskonzeptes mit Teilsicherheitsbeiwerten; in seltenen Fällen werden die Nachweise mit probabilistischen Methoden durchgeführt.

Wichtig ist die Erkenntnis, dass bei allen sicherheitstheoretischen Berechnungen sowohl die Eingangsparameter als auch die Modellierung mit Unsicherheiten behaftet ist. Deshalb sollen die errechneten Eintrittswahrscheinlichkeiten oder die abgeleiteten Sicherheitsindizes als Anhaltswerte und nicht als auf Kommastellen genaue Rechenwerte für die Beurteilung gesehen werden.

Neben der Nachvollziehbarkeit der rechnerischen Zuverlässigkeitsbewertung soll eine Konstruktion wirtschaftlich sein und der Materialeinsatz ressourcenorientiert durchgeführt werden.

Komplexe Bauwerke mit langer Nutzungsdauer, Konstruktionen aus Glas und neuen Hybridwerkstoffen sind in Bezug auf das Langzeitverhalten sicherheitstechnisch zu bewerten.

Der linke Ast im Bild 5 gilt für Materialien und Konstruktionen, bei denen man die gesamte Kette mit den verfügbaren Verfahren widerspruchsfrei und vollständig erfassen kann. Der rechte Ast, der beispielsweise für geklebte Glasfassaden beim heutigen Stand der Wissenschaft und Technik zur Anwendung kommt, geht davon aus, dass noch Lücken in der Beschreibung vorhanden sind, die zusätzliche Maßnahmen erfordern. Wichtig ist dabei das Verhalten der einzelnen Konstruktionsteile auch qualitativ einzuschätzen: Spröde Materialien sind anders einzustufen als zähe, Systeme, bei denen das Versagen ohne Vorankündigung zu erwarten ist, bedürfen anderer Regelungen als Systeme, die z. B. mit großen Verformungen den Zustand „kommunizieren“.

Je nach der Einschätzung der einzelnen Situation sind verschiedene Instrumente verfügbar, um die Sicherheit zu gewährleisten, wie beispielsweise:

2.3 Sicherheitskonzept für geklebte Glasfassaden