Sicherheit von Bauwerken. ingenieurmäßiger Sicherheitsbegriff

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1 Bauingenieurwesen Workshop Zivile Sicherheitsforschung 16. Februar 2012 Sicherheit von Bauwerken Differenzierung und Überwachung der Tragwerkssicherheit Jana Voigt Universität Siegen LS Massivbau Prof. Dr.-Ing. A. Goris

2 Sicherheit von Bauwerken ingenieurmäßiger Sicherheitsbegriff Nachweis differenzierter Zuverlässigkeit Zielwerte β / γ - Faktoren / Zuverlässigkeitsmethoden Sicherheit bestehender Bauwerke angepaßte γ - Faktoren / Überwachung / Monitoring 2

3 ingenieurmäßiger Sicherheitsbegriff Zuverlässigkeit Tragfähigkeit - Gebrauchstauglichkeit - Dauerhaftigkeit Einwirkung Widerstand Versagen Grenzzustand (Q.: Vogel et al ) P f = P(R - E < 0)= Φ(-β) Zuverlässigkeit Versagenswahrscheinlichkeit Zuverlässigkeitsindex P f β , , , , , , ,20 (Q.: DIN EN 1990) 3

4 Zuverlässigkeit nach Eurocode 0 Zuverlässigkeit Tragfähigkeit - Gebrauchstauglichkeit - Dauerhaftigkeit Schadensfolgeklassen CC 3 CC 2 CC 1 Merkmale Hohe Folgen für Menschenleben oder sehr große wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeinträchtigende Folgen Mittlere Folgen für Menschenleben, beträchtliche wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeinträchtigende Folgen Niedrige Folgen für Menschenleben und kleine oder vernachlässigbare wirtschaftliche, soziale oder umweltbeeinträchtigende Folgen Beispiele im Hochbau oder bei sonstigen Ingenieurbauwerken Tribünen, öffentliche Gebäude mit hohen Versagensfolgen (z.b. eine Konzerthalle) Wohn- und Bürogebäude, öffentliche Gebäude mit mittleren Versagensfolgen (z.b. ein Bürogebäude) Landwirtschaftliche Gebäude ohne regelmäßigen Personenverkehr (z.b. Scheunen, Gewächshäuser) (Q.: DIN EN 1990) P f = P(R - E < 0)= Φ(-β) Bemessung: Grundlage: definiertes Zuverlässigkeitsniveau Einstellung: Teilsicherheitsfaktoren Nutzung: Erhalten der Zuverlässigkeit Versagenswahrscheinlichkeit Zuverlässigkeitsindex P f β , , , , , , ,20 (Q.: DIN EN 1990) 4

5 Versagenswahrscheinlichkeit Zuverlässigkeits- Mindestwert für β Klasse 1 Jahr 50 Jahre RC 3 5,2 4,3 RC 2 4,7 3,8 RC 1 4,2 3,3 (Q.: DIN EN 1990) P f = P(R - E < 0)= Φ(-β) Bauwerk P f = 10-6 = 1 : Todesursache / Situation relative Sterbewahrscheinlichkeit pro Jahr Akzeptanzgrenze bei medizinischen Operationen 1, = 1,0 : Autofahrer 2, = 2,0 : Haushalt Baustellenarbeiter 1, = 1,0 : Bauingenieur 1, = 1,9 : Bahnfahrer 1, = 1,5 : Ursache Brand in Bauwerken 8, = 8,0 : Ursache Bauwerksversagen 1, = 1,0 : Daten nach Proske

6 Nachweis mit Teilsicherheitsfaktoren Einwirkung Widerstand E d R d F d = γ f F rep X d = η X k / γ M Teilsicherheitsfaktoren γ Unsicherheiten E - repräsentative Werte - Modell Einwirkungen Unsicherheiten R - Baustoffe, Maße - Modell Widerstand 6

7 Zuverlässigkeitsmethoden Methode a) Eurocode (Q.: DIN EN 1990) 7

8 Sicherheit bestehender Bauwerke γ - Faktoren Einwirkung Widerstand E d R d F d = γ f F rep X d = η X k / γ M Teilsicherheitsfaktoren γ Unsicherheiten E Unsicherheiten R - repräsentative Werte - Modell Einwirkungen - Baustoffe, Maße Parameter z.t. am Bauwerk meßbar γ Bestand - Modell Widerstand 8

9 Sicherheit bestehender Bauwerke γ - Faktoren Bauwerksuntersuchung v x Festigkeiten, Maße γ M, Bestand (Q.: Fingerloos/Schnell 2009) 9

10 Sicherheit bestehender Bauwerke Ziel - β P f = P(R - E < 0)= Φ(-β) Zuverlässigkeits- Mindestwert für β Klasse 1 Jahr 50 Jahre RC 3 5,2 4,3 RC 2 4,7 3,8 RC 1 4,2 3,3 10

11 Sicherheit bestehender Bauwerke Überprüfung β E R zeitlich veränderlich Zuverlässigkeit β sinkt Restrisiko Nutzungsdauer (Q.: Vogel et al ) laufende Überprüfung des Bauwerkszustandes erforderlich Anzeichen für Schäden frühzeitig erkennen + eingreifen Ziel: Gefahrenabwehr 11

12 Sicherheit bestehender Bauwerke Überprüfung β Regelwerke Normen DIN 1076 Brücken, Tunnel Richtlinien / Empfehlungen neu ARGEBAU VDI 6200 Hochbauwerke Periodische Überprüfung der Sicherheit 12

13 Sicherheit bestehender Bauwerke Überwachung Überprüfung (VDI 6200) β VDI-Richtlinie 6200: Standsicherheit von Bauwerken: Regelmäßige Überprüfung Schadensfolgeklassen CC Schadensfolgeklasse CC 3 CC 2 CC 1 Merkmale hohe Folgen (Schäden an Leben und Gesundheit für sehr viele Menschen, große Umweltschäden) mittlere Folgen (Schäden an Leben und Gesundheit für viele Menschen, spürbare Umweltschäden) Gebäudetypen und exponierte Bauteile insbesondere: Versammlungsstätten für mehr als Personen bauliche Anlagen mit über 60 m Höhe Gebäude und Gebäudeteile mit Stützweiten > 6 m sowie großflächige Überdachungen exponierte Bauteile von Gebäuden, soweit sie ein besonderes Gefährdungspotential beinhalten geringe Folgen robuste und erfahrungsgemäß (Sach- und Vermögensschäden, geringe Stützweiten < 6 m unkritische Bauwerke mit Umweltschäden, Gebäude mit nur Risiken für einzelne vorübergehendem Aufenthalt Menschen) einzelner Menschen Beispielhafte Bauwerke Stadien, Kongreßhallen, Mehrzweckhallen Hochhäuser, Fernsehtürme Bürogebäude, Industrie- und Gewerbebauten, Kraftwerke, Produktionsstätten, Bahnhofsund Flughafengebäude, Hallenbäder, Einkaufsmärkte, Museen, Krankenhäuser, Kinos, Theater, Schulen, Diskotheken, Sporthallen aller Art große Vordächer, angehängte Balkone, vorgehängte Fassaden, Kuppeln Ein- und Mehrfamilienhäuser landwirtschaftlich genutzte Gebäude (Q.: VDI 6200) Verknüpfung: Eurocode (Bemessung) ARGEBAU (Überwachung) 13

14 Sicherheit bestehender Bauwerke Überprüfung β automatisiert Sensoren z.b.: - Risse, Dehnungen - Verformungen - Feuchte, Karbonatisierung EDV Meldung, Maßnahmen (Q.:Reiterer et al. 2008) 14

15 Sicherheit bestehender Bauwerke Sensitivitäten Druck Biegung 15

16 Sicherheit von Bauwerken Sicherheit Zuverlässigkeit β differenzierte Zuverlässigkeit je nach Schadensfolge bestehende Bauwerke genauere Bewertung β noch??? Vielen Dank! 16

17 Literatur ARGEBAU 2006: Hinweise für die Überprüfung der Standsicherheit von baulichen Anlagen durch den Eigentümer / Verfügungsberechtigten, Hrsg. Bauministerkonferenz: Konferenz der für Städtebau, Bau- und Wohnungswesen zuständigen Minister und Senatoren der Länder (ARGEBAU), Fassung 09/2006 DBV-Merkblatt: Bauwerksbuch: Empfehlungen zur Standsicherheit und Erhaltung von Gebäuden, Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.v., Berlin: DBV, Juni 2007 DBV-Merkblatt Bauen im Bestand: Leitfaden, Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.v., Berlin: DBV, Januar 2008 DIN 1076: Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen: Überwachung und Prüfung, Fassung November 1999 DIN EN 1990 (12/2010): Grundlagen der Tragwerksplanung, Deutsche Fassung, Dezember 2010 Deutscher Ausschuß für Stahlbeton Heft 467: Verstärken von Betonbauteilen Sachstandsbericht, Berlin: Beuth, 1996 Richtlinie für die Überwachung der Verkehrssicherheit von baulichen Anlagen des Bundes (RÜV), Hrsg. 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Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung Universität Karlsruhe , Karlsruhe: Universitätsverlag, 2006 Vrouwenvelder, Ton: Fatigue modelling according to the JCSS Probabilistic Model Code, in: Faber/Vrouwenvelder/Zilch (Hrsg.): Aspects of Structural Reliability, München: Utz, 2007 Vrouwenvelder, Ton / Scholten, Nico: Assessment Criteria for Existing Structures, in: Structural Engineering International, 01/2010, S