INFRASTRUCTURE ASSET MANAGEMENT LIFE CYCLE OPTIMIZATION

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1 Vienna Consulting Engineers ZT GmbH Vienna Consulting Engineers ZT GmbH VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH Office Vienna Hadikgasse 6, Wien T F vce@vce.at VCE Vienna Consulting Engineers S.R.L. Office Bukarest Strada Gheorghe Manu, Nr., Etaj Bucuresti, Romania T + 77 office@vce.ro Office Cluj Strada Ciresilor -6, Cluj-Napoca 87 Judetul Cluj, Romania office@vce.ro INFRASTRUCTURE ASSET MANAGEMENT LIFE CYCLE OPTIMIZATION Supports Your Project Î.C.S. VCE Consulting Engineers S.R.L. Office Chişinău Bulevardul Moscova, ap.(of) 8 Chişinău, Moldova office@vce.md VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH Office Athen Vas, Alexandrou 7 Amaroussio, Greece T F vce-gr@otenet.gr Vienna Consulting Engineers d.o.o. Office Zagreb Ulica grada Vukovara 8 Zagreb, Croatia ie@vce-consult.hr VCE Qatar LLC Office Doha Palm Tower (B), 6 Floor, Office # Defna Area, Doha, Qatar Capacity Lifetime VCE

2 Infrastructure Asset Management Life Cycle Optimization Basis Grundlagen Inspection history, maintenance history, BoQs, quality of data / Inspektionshistorie, Instandhaltungshistorie, Massenermittlung, Datenqualität To enable proper and long-term maintenance planning for a huge and heterogeneous set of engineering structures VCE developed an integrated life cycle management tool that offers tailored solutions with regard to the given location, involved materials, fabricates and the underlying design code at the time of construction. Assessment Bewertung Visual Inspection Indicator» Surveillance» Checking» Inspection of structures» Überwachung» Kontrolle» Prüfung von Kunstbauten» Design (underlying code)» Load modelling» FE-simulation» Traffic progression Loading Indicator» Bemessung und zugrundeliegende Norm» Lastmodellierung» FE-Simulation» Verkehrsentwicklung Condition Index» Dynamic measurements» Material testing» Other field tests» BRIMOS database Monitoring Indicator» Dyn. Messung» Materialprüfung» andere Sonderprüfmethoden» BRIMOS Datenbank Harmsen brug Botlekbrug Brielsebrug Thomassen Tunnel A A The focus of the model is the prediction of the condition development of civil engineering structures and their components, which is calculated for every structure/component dependent on the structure type, design, product, age, documented condition and the norm status in force at the respective construction time. In addition upper and lower limits of the condition process are determined by means of probabilistic methods. The result a maintenance plan for all bridges and components is the basis for optimization calculations regarding costs and availability. Für die splanung einer großen Anzahl verschiedenartiger Bauwerke über einen langen Zeitraum wurde von VCE ein integrales Life Cycle Modell entwickelt, das an die Gegebenheiten und speziellen Anforderungen jedes einzelnen Projekts angepasst werden kann. Kern des Modells ist die Prognose der Zustandsentwicklung von Ingenieurtragwerken und deren Bauteilen, die für jedes Bauwerk/Bauteil abhängig vom Bauwerkstyp, der Bauart, des Fabrikats, des Alters, des dokumentierten szustandes und der jeweils zum Errichtungszeitpunkt gültigen Normenlage berechnet werden. Mit Hilfe probabilistischer Methoden werden zudem obere und untere Grenzen des Zustandsverlaufes erarbeitet. Das Ergebnis ein splan für sämtliche Brücken und Bauteile ist Grundlage für Optimierungsberechnungen hinsichtlich Kosten und Verfügbarkeit. Hartelkruis Van Brienenoordbrug Hartelbrug SPIJKENISSE Botlektunnel Kethelplein A Benelux Tunnel Benelux Kleinpolderplein ROTTERDAM A A Terbregseplein Vaan Plein A9 A6 Ijsselmonde Ridderkerk Ridderster A6 A Ageing Model Alterungsmodell Cost Model Kostenmodell Life Cycle Prognosis Life Cycle Prognose Accumulated maintenance costs Basis for maintenance planning (/// years) Basis für splanung (/// Jahre) Planning splan 98 Pavement / Fahrbahn Analysis period concept Betrachtungszeitraum skonzept Expansion joints / Fahrbahnübergang service life [year] / Zeit [Jahre] Condition Index (t) 6 8 Bearings / Lager Bridge equipment / Ausrüstung Pavement / Fahrbahnbelag Expansion joints / Fahrbahnübergang etc. 6.. [ ] Replacement/Austausch Year/Jahr Edge beam / Randbalken Bearings / Lager etc. Optimization Network Level Optimierung auf Netzebene Akkumulierte skosten time span for maintenance / Zeitspanne für smaßnahmen... average end of life expectancy / mittleres Ende der Lebenserwartung» Construction sections» Cross-asset aspects» Structural condition requirements initial/in operation/handover» Minimization of costs» Maximization of availability» Statistical scatter» Environmental costs expected investment costs / zu erwartende skosten» Bauabschnitte» Anlagenübergreifend» Zustandsanforderungen Abnahme/ Betrieb/Übergabe» Kostenminimierung» Verfügbarkeitsmaximierung» Statistische Streuung» Umweltkosten

3 Asset Management Approach Input Data Eingangsdaten Input Data Eingangsdaten The required input data includes information on all structures (age, geometric data, construction type, material, drawings, static calculations) as well as condition relevant information (ratings, results of visual inspections, monitoring results). Historic ratings and treatments are also relevant. All information is structured in a database for further analysis. Algorithm Algorithmus The algorithms implemented in the asset management software calculate the future ageing behaviour including the upper and lower limits by means of probabilistic methods. The prediction is done for each individual structure on structural member level and then combined to a global prediction for each structure. Die in der Asset-Management-Software angewandten Algorithmen berechnen das zukünftige Alterungsverhalten, einschließlich der Ober- und Untergrenzen, durch probabilistische Methoden. Für jedes Bauwerk wird auf Bauteilebene eine Vorhersage getätigt und dann mit einer globalen Vorhersage für jedes Bauwerk kombiniert. Optimization Optimierung The optimization process is based on the ageing prediction, available treatments, treatment costs, non-availability costs and external costs like environmental costs if needed. Der Optimierungsprozess basiert auf der Alterungsvorhersage, den vorhandenen Verfahren, Verfahrenskosten, Kosten bei Nichtverfügbarkeit und bei Bedarf externen Kosten wie Umweltkosten. Output Ergebnis The results of the process are optimized maintenance schedules for each individual structure and on global level for the whole included asset stock (block building). These maintenance plans also include the treatment types and the costs on structure level and on global level. Die Ergebnisse des Prozesses sind optimierte spläne für jedes Bauwerk und auf globaler Ebene für den gesamten Bestand. Diese spläne beinhalten auch die Verfahrenstypen und die Kosten auf Bauwerksebene und auf globaler Ebene. Plan IH-Plan Condition Data Zustandsdaten Die erforderlichen Eingabedaten enthalten Informationen über alle Bauwerke (Alter, geometrische Daten, Konstruktionsart, Material, Pläne, statische Berechnungen) sowie zustandsrelevante Informationen (Bewertungen, Ergebnisse visueller Inspektionen, Monitoring-Ergebnisse). Historische Bewertungen und Verfahren sind auch relevant. Alle Informationen werden zur weiteren Untersuchung in eine Datenbank eingegeben. Catalogue of Measures Maßnahmenkatalog Road Infrastruktur Straßeninfrastruktur Gantries Überkopfwegweiser Pavement Fahrbahn Structural Type Anlagenart Bridges Brücken Retaining Walls Stützmauern Elektrotechnik Tunnels Tunnel Structural Age Anlagenalter Ageing Models LC-Prediction Alterungsmodelle LC-Prognose Development of Treatments Maßnahmenableitung Mechanical & Electrical Equipment Railway Infrastruktur Schieneninfrastruktur Noise Barriers Lärmschutzwände Overhead Contact Lines Oberleitungen Permanent Way Oberbau Cross-Asset Plan Gewerkeübergreifender splan Condition Prediction + Zustandsprognose + Drawings Planunterlagen Inspection Results Inspektionsergebnisse Grouping & Optimization of Measures Maßnahmen Bündelung & Optimierung (Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit) Condition Classes Zustandsklassen Condition Overhead Contact Lines / Zustand Oberleitung Condition Tunnels / Zustand Tunnel Condition Bridges / Zustand Brücken Condition Retaining Walls / Zustand Stützmauern Ageing Models Alterungsmodelle Real ageing behaviour = forecast model Reales Alterungsverhalten = Prognosemodell Real ageing behaviour better than model => measures to be planned later Reales Alterungsverhalten besser als Modell => Maßnahmen später einzuplanen not yet carried out => measures to be planned Instandsetzung noch nicht erfolgt => Maßnahmen einzuplanen Real ageing behaviour worse than model => measures to be planned earlier Reales Alterungsverhalten schlechter als Modell => Maßnahmen früher einzuplanen Plan smaßnahmen- Pläne Overhead Contact Lines / Oberleitung Permanent Way / Oberbau Bridges / Brücken Retaining Walls / Stützmauern Example: Single-span beam - slab - reinforced concrete / Beispiel: Einfeldträger - Platte - Stahlbeton Abutment, pier, bearing structure, sealing, equipment Widerlager, Pfeiler, Tragwerk, Abdichtung, Ausrüstung Abutment, pier, bearing structure, sealing, equipment, edge beams, bearings, expansion joints... Condition note Zustandsnote Track [km] / Strecke [km] Widerlager, Pfeiler, Tragwerk, Abdichtung, Ausrüstung, Randbalken, Lager, Übergangskonstruktion Total ranking Medium condition note istructures Bridge: single-span beam - slab - reinforced concrete Gesamt Ranking Mittlere Zustandsnote ibauwerke Brücken: Einfeldträger-Platte-STB Age [years] / Bauwerksalter [Jahre] Track [km] / Strecke [km]

4 Ageing Model Alterungsmodell Outcome: Optimized Schedules regarding Costs Optimierte spläne hinsichtlich Kosten Costs skosten Theoretical Ageing Model Theoretisches Alterungsmodell Initial condition Anfangszustand Defined LIMIT STATE Definierter Grenzzustand Bridges / Brücken Tunnels / Tunnel Gantries / Überkopfwegweiser Sum / Summe Safety level Sicherheitsebene Lifetime Lebensdauer A(t) dt Lower bound life expectancy Lebenserwartung untere Grenze a Wahrscheinlichkeit des Abganges in % / (e-a) / (e-a) / (e-a) Schwerpunkt max Design life rechn. Lebensdauer e Zeit A(t) = p + p t + p t + p t Upper bound life expectancy Lebenserwartung obere Grenze Accumulatd sum / Akkumulierte Summe Outcome: Optimized Schedules regarding Infrastructure Availability Optimierte spläne hinsichtlich Verfügbarkeit Years / Jahre Ageing Model for Structural Members Alterungsmodell für Bauteile Local Ageing of Components Lokale Alterung Bauteile Abutments, piers / Widerlager, Pfeiler 6 8,,,,,,,, Superstructure / Tragwerk Sealing / Abdichtung Expansion joints / Fahrbahnübergänge 6,,,8,,6,,,,,6,8, Equipment / Ausrüstung Edge beams / Randbalken Optimization of Life-Cycle Costs Lebenszyklus Optimierung Ageing: target progress Service life = 9 years Optimal life-cycle costs Ageing: delayed maintenance Service life = 9 years Higher life-cycle costs Ageing: delayed maintenance Reduced service life Premature reinvestment Same use of resources as in optimal case Ageing: do-nothing -strategy Reduced service life Premature reinvestment Alterung: Sollverlauf Nutzungsdauer = 9 Jahre Optimale Lebenszykluskosten Alterung: verspätete Instandhaltung Nutzungsdauer = 9 Jahre Höhere Lebenszykluskosten Alterung: verspätete Instandhaltung Reduzierte Nutzungsdauer vorzeitige ition gleicher Mitteleinsatz wie optimal Alterung: do-nothing -Strategie Reduzierte Nutzungsdauer vorzeitige ition Global Ageing Curve per Structure Resultierende globale Alterung (bauwerksspezifisch) Structure Type: Bridge / Single-span beam slab reinforced concrete Bauwerkstyp: Brücke / Einfeld-Träger Platte Stahlbeton Age [years] Bauwerksalter [Jahre] Condition Index Abutment, pier, bearing structure, sealing, equipment Widerlager, Pfeiler, Tragwerk, Abdichtung, Ausrüstung Optimized maintenance strategy Optimierte sstrategie Abutment, pier, bearing structure, sealing, equipment, edge beams, bearings, expansion joints... Widerlager, Pfeiler, Tragwerk, Abdichtung, Ausrüstung, Randbalken, Lager, Übergangskonstruktion... do-nothing -strategy do-nothing -Strategie Age [years] Bauwerksalter [Jahre] Nonavailability Hours / Nichtverfügbarkeitsstunden Peak Hours / Spitzenstunden:.8 Driving Direction not available / Fahrtrichtung gesperrt.6 Closed Lane / Fahrspur gesperrt.. Reduced Speed / reduzierte Geschwindigkeit. Standard Hours / Normalstunden: 8 Driving Direction not available / Fahrtrichtung gesperrt 6 Closed Lane / Fahrspur gesperrt Reduced Speed / reduzierte Geschwindigkeit, 8,, 8,, 8, 8 6 Location: engineering structures Treatments: CONCRETE pavement Treatments: highway bridges 8 6 Standort: Kunstbauten Location: central reservation crossing Standort: Mittelstreifenüberfahrt Maßnahmen: BETON-Fahrbahn Treatments: ASPHALT pavement Maßnahmen: ASPHALT-Fahrbahn Maßnahmen: Autobahnbrücken Treatments: flyovers Maßnahmen: Autobahnüberführungen Potential, additional central reservation crossing Treatments: pavement on bridges along the ASPHALT pavement Potentielle, zusätzliche Mittelstreifenüberfahrt Maßnahmen: Brücken-Überbau entlang ASPHALT-Fahrbahn Start of contract section Baulosanfang A 8 B7 No A 9 Central reservation crossing Mittelstreifenüberfahrt A Ü6 A Ü7 AST Wilfersdorf Süd A Ü8 A A A A Sa A Ü9 A Central reservation crossing Mittelstreifenüberfahrt Annual Availability Level / Jährliche Verfügbarkeit,% A A Ü 99,8% 99,6% 99,% 99,% 99,% Graphical Strip Map including Treatments Grafisches Streckenband inklusive bauliche smaßnahmen A Ü AST Wilfersdorf Nord A Central reservation crossing Mittelstreifenüberfahrt A Ü A Ü A Ü A 6 A 7 B7 No A 8 A Ü A 9 A Ü6 A Ü7 Central reservation crossing Mittelstreifenüberfahrt A A Ü8 AST Walterskirchen A A Ü9 A Central reservation crossing Mittelstreifenüberfahrt A Ü A Ü A Ü A Ü A Central reservation crossing 6 Mittelstreifenüberfahrt 6 A Ü Years / Jahre Years / Jahre A Ü A Ü6 AST Poysbrunn Central reservation crossing 7 Mittelstreifenüberfahrt 7 End of contract section Baulosende

5 Reference Projects: Roadway Referenzprojekte: Straße A-Lanes A Maasvlakte Vaanplein Netherlands / Niederlande Bypass Zwettl Lower Austria, Austria / Niederösterreich, Österreich The roadway project bypass Zwettl is represented by a.7 km long road section. The contract and operation period has been defined with years (8 ). Client: Granit GmbH, Graz Concept (LCA & LCC) for years Die,7 km lange Orts-Umfahrung Zwettl soll in den nächsten Jahren im Rahmen eines PPP-Projekts errichtet und Jahre (8 ) lang betrieben werden. Auftraggeber: Granit GmbH, Graz skonzept (Maßnahmen-, Zeit- und Kostenplanung) für Jahre Providing of an integral Life Cycle Concept for all engineering structures on the construction section comprising bridges, tunnels, retaining walls and noise barriers. For newly built structures maintenance plans over years were generated, for already existing structures the maintenance plans span both the year construction phase and the year operation phase. Client: A A-Lanes Erstellung eines integralen Life Cycle Konzepts für Brücken, Tunnel, Stützmauern und Lärmschutzwände. Für neu zu errichtende Bauwerke wurden spläne über Jahre erstellt, für bestehende Bauwerke über Jahre (Bau- und sphase). Auftraggeber: A A-Lanes A A-Lanes Bridge Object 68- New Jersey, USA BAB A9 AS Lederhose Border Thuringia Bavaria Germany / Deutschland All relevant findings of a visual inspection and a dynamic bridge investigation were incorporated into a theoretical lifecycle model. Recommendations for retrofit interventions were given, evaluating their consequences on the remaining lifetime and the maintenance costs. Client: EU Comission FP7 Alle Ergebnisse einer visuellen sowie einer dynamischen Untersuchung wurden in dem theoretischen Lebenszyklus-Modell hinsichtlich notwendiger Instandhaltungsmaßnahmen und deren Auswirkungen auf die Restlebensdauer und die skosten verwertet. Auftraggeber: EU Kommission FP7 VCE developed a maintenance concept for the engineering structures comprised on a km long highway section for a timeframe of years. The concept had to be consistent with DIN 76 and had to meet the requirements defined in the guideline RI-EBW-PRÜF. Client: Alpine Bau GmbH Erstellung eines skonzepts für Ingenieurtragwerke auf einem km langen Streckenabschnitt für die nächsten Jahre unter Einhaltung der DIN 76 und der Funktionsanforderungen der RI-EBW-PRÜF. Auftraggeber: Alpine Bau GmbH A Northern Motorway Schrick Poysbrunn Lower Austria, Austria /Niederösterreich, Österreich Research Project Smooth Operator Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) The project is represented by a km long section of the A motorways and will be operated for years. A maintenance concept has been developed for the entire highway section consisting of pavement, bridges, noise barriers and gantries. Client: PORR Bau GmbH Ein km langes Teilstück der A soll als PPP-Projekts errichtet und Jahre betrieben werden. Ein skonzept wurde für die gesamte Strecke bestehend aus dem Straßenoberbau, Brücken, Lärmschutzwänden und Überkopfwegweisern erstellt. Auftraggeber: PORR Bau GmbH For two years VCE did intensive research in the scope of structural maintenance measures and their impact on the availability of road infrastructure. Focus of the project was the increase in efficiency of traffic and use of infrastructure by means of information and communications systems. VCE forschte zwei Jahre intensiv im Bereich des Einflusses von baulichen smaßnahmen auf die Verfügbarkeit der Straßeninfrastruktur. Projektschwerpunkt war die Steigerung der Effizienz des Verkehrs und der Infrastrukturnutzung durch Informations- und Kommunikationssysteme. S6 Expressway Austria / Österreich New Danube Bridge Linz Linz, Austria / Linz, Austria Preparation of a maintenance concept and the maintenance measures to be derived for a route section of the S6 with approx. civil engineering structures. Client: ASFINAG LCA, maintenance planning, LCC, traffic management Erstellung einer umfassenden Lebenszyklusanalyse und der daraus abzuleitenden smaßnahmen für einen Streckenabschnitt der S6 mit ca. Kunstbauwerken. Auftraggeber: ASFINAG LCA, smaßnahmen und Zeitplan, Kostenermittlung Verkehrsbeeinflussung As part of an issued realization competition a Life Cycle Costs Analysis was conducted for the construction of the new Danube Bridge Linz by VCE in addition to static calculations, mass investigations and planning of construction phases. Client: City of Linz Im Zuge eines Realisierungswettbewerbes für die Errichtung der neuen Donaubrücke Linz wurden auf Grundlage des Entwurfs neben statischen Berechnungen, Massenermittlungen und der Bauphasenplanung auch eine Lebenskostenanalyse von VCE durchgeführt. Auftraggeber: Landeshauptstadt Linz

6 Reference Projects: Railway Referenzprojekte: Schiene Bruck a.d.m. Graz Hbf Integrated Life Cycle Methodology Austria / Österreich Linz Wels Line Condition Analysis Upper Austria, Austria / Oberösterreich, Österreich The railway section Linz Wels will be put out of service. Based on a Life Cycle Prognosis VCE elaborated those maintenance measures that are the minimum requirements for different subsections (construction engineering, substructures and electrical engineering). Der Abschnitt Linz Wels soll stillgelegt werden. Anhand einer Life Cycle Prognose wurden für die Gewerke Konstruktiver Ingenieurbau, Unterbau und Elektrotechnik die minimal notwendigen smaßnahmen ausgearbeitet. To enhance the technical condition of the incorporated assets on the section according to a defined operational availability VCE developed an integrated life-cycle methodology in order to harmonize interventions of maintenance and replacements to optimized maintenance treatment plans. Condition analysis, maintenance planning, deterioration modelling, cross-asset optimisation, condition prognosis Um den technischen Zustand der Strecke inklusive aller darin befindlichen Anlagen unter dem Gesichtspunkt einer definierten, hohen Verfügbarkeit auf ein nachhaltiges Niveau zu heben, wurde durch VCE ein gewerke-übergreifendes Life-Cycle Modell entwickelt. Zustandsanalyse, Life-Cycle-Prognose, splanung, Maßnahmenplanung, Zustandsprognose Kugelstein Bridge Austria / Österreich Network Arch Bridge TW. Vienna, Austria / Wien, Österreich For this bridge concept a comprehensive Life Cycle Cost Analysis of different construction types was conducted. The bridge construction types used for comparison were a reinforced concrete arch bridge, a steel truss bridge and a composite arch bridge. Für das Brückenobjekt wurde anhand dreier Konstruktionsvarianten eine umfassende Lebenszykluskostenanalyse erstellt. Es wurden die Konstruktionstypen Stahlbetonbogenbrücke, Stahlfachwerkbrücke bzw. Verbundbogenbrücke zum Vergleich herangezogen. A comprehensive Life Cycle Cost Analysis was conducted by means of comparing the current bridge object a double-track network arch bridge with alternative construction types having the same span length. Für die zweigleisige Netzwerkbogenbrücke wurde eine umfassende, vergleichende Lebens zykluskostenanalyse erstellt, indem dieses Brückentragwerk alternativen Konstruktionsvarianten gegenübergestellt wurde. Exchange of structures Wiener Linien MA9 Vienna, Austria / Wien, Österreich LCE Study on Corrosion Protection System for Steel Bridges Lower Austria, Austria / Niederösterreich, Österreich Capitalized maintenance costs were calculated for existing structures according to the redemption fee guideline of RVS... Client: municipal department MA 9 / Wiener Linien Estimation of the remaining useful life and the new construction costs Nach dem Ablösemodell der RVS.. wurden kapitalisierte skosten für Bauwerke unterschiedlicher Bauart (Rampe, Brücke, Tunnel) ermittelt. Auftraggeber: MA 9 / Wiener Linien Abschätzung der Restnutzungsdauer und der Neuerrichtungskosten The influence of different corrosion protection types and maintenance cycles was analyzed and compared. In addition the different consequences for the total life-cycle costs of the bridge were to be determined. Es wird der Einfluss von unterschiedlichen Korrosionsschutzarten und Instandhaltungszyklen untersucht und miteinander verglichen. Ebenso sollen die auftretenden unterschiedlichen Auswirkungen auf die gesamten Lebenszykluskosten der Brücke festgestellt werden. Railway Bridge Tulln Lower Austria, Austria / Niederösterreich, Österreich Railway Bridges Jamal Siberia, Russia / Sibirien, Russland Toni Rappersberger In the course of decision making concerning the ideal load-bearing structure system in combination with the superstructure system an LCC-analysis (life cycle-costs-analysis) for different variants was carried out. Cost estimate for erection, LCC-analysis Im Zuge der Entscheidungsfindung hinsichtlich des optimalen Tragwerksystems in Kombination mit dem Oberbausystem wurde eine LCC-Analyse für unterschiedliche Varianten für Tragwerk und Oberbau durchgeführt. Errichtungskostenschätzung, LCC-Analyse In the course of a pilot project data of four railway bridges in northern Russia, on the railroad from Obskaya to Bovanenkovo have been analyzed. The railway is the northernmost railway in service in the world and was completed by early. Client: Gazprom Schwingungsmessungen an vier Eisenbahnbrücken (Baujahr 8) auf der Bahnstrecke von Obskaya nach Bovanenkovo auf der Halbinsel Jamal. Diese Eisenbahn ist die weltweit nördlichste im Betrieb befindliche Strecke und wird seit Anfang durchgängig befahren. Auftraggeber: Gazprom