Ein Managementsystem unterstützt die Instandsetzungsplanung
Den Überblick behalten
Der Wert der baulichen Anlagen der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) wird auf 40 Mrd. EUR geschätzt (Quelle: www.wsv.de). Damit an diesen Anlagen niemand zu Schaden kommt und ihre Funktionsfähigkeit garantiert ist, führt die WSV regelmäßig Bauwerksinspektionen durch. Dabei wird an diesen Anlagen nach Schäden gesucht. Diese werden festgestellt, bewertet und in der zentralen Datenbank WSVPruf erfasst. In Abhängigkeit von der Schwere der Schäden findet eine sofortige, eine mittelfristige oder keine Instandsetzung statt.
Knappe Haushaltsmittel und sinkender Personalbestand der WSV setzen dem Umfang der durchführbaren Instandsetzungsmaßnahmen Grenzen. Deshalb ist es wichtig, die erforderlichen Instandsetzungsmaßnahmen schon frühzeitig zu erkennen, sie zu bewerten und zu priorisieren, um einen langen Planungshorizont ausnutzen zu können. Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) entwickelt zur Unterstützung dieser wichtigen Aufgabe ein Erhaltungsmanagementsystem EMS-WSV.
Noten ermöglichen den Vergleich
Ausgangspunkt für das EMS-WSV ist ein aktueller Kenntnisstand über den Zustand der Bauwerke. Dazu erfassen eigens für die Inspektion fortgebildete Fachleute der WSV die am Bauwerk gefundenen Schäden, beschreiben sie mit standardisierten Begriffen und vergeben für jeden Schaden eine Schadensklasse zwischen 1 und 4. Die Schwere des Schadens wächst schulnotengleich an. Schadensklasse 4 weist auf sofortigen Handlungsbedarf hin. Die Schäden sollten objektiv beschrieben werden, sodass eine vergleichende Betrachtung über den gesamten Bauwerksbestand der WSV möglich ist. Hierfür hat die WSV zusammen mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und der BAW in der Vergangenheit unterschiedlichste Maßnahmen ergriffen, um die Bauwerksinspektion zu verbessern, zu vereinheitlichen und zu vereinfachen. Beispiele sind die Modernisierung der Software WSVPruf zur Dokumentation der Bauwerksinspektion (s. BAWAktuell 03/2011), die umfangreiche Schulung der Beschäftigten für die Bauwerksinspektion und die Einführung eines Merkblatts der BAW zur Vereinheitlichung der Schadensklassifizierung an Verkehrswasserbauwerken (s. www.baw.de, MSV 2011).
In WSVPruf berechnet ein vorgegebener Algorithmus in einem ersten Schritt aus den Schadensklassen der einzelnen Schäden Teilnoten für verschiedene Gewerke (z. B. Konstruktion, Stahlbau, Ausrüstung). Zusätzlich generiert der Algorithmus eine Zustandsnote für das gesamte Bauwerk, die als Kennziffer die Dringlichkeit von Instandsetzungsmaßnahmen anzeigt. Im Entscheidungsprozess lassen sich mit ihrer Hilfe somit solche Bauwerke leicht erkennen, an denen sofortiger Handlungsbedarf besteht (Zustandsnote nahe 4), und jene Bauwerke, die sich in einem sehr guten Zustand befinden (Zustandsnote nahe 1).
Noten verschaffen Übersicht
Eine Zusammenstellung von Inspektionsergebnissen an zehn Schleusen in Bild 1 demonstriert, dass die Schleusen 5 und 9 in nahezu allen Bereichen Handlungsbedarf anzeigen und damit insgesamt in einem schlechten Zustand sein müssen. Die Schleusen 8 und 10 weisen demgegenüber gute Noten auf und bedürfen keiner näheren Betrachtung. Senkrecht gelesen zeigt die Tabelle beispielsweise, dass die an den Schleusen 2, 4 und 5 erforderliche Instandsetzung der Ausrüstungsteile gebündelt erfolgen kann.
Bei zunehmend begrenzten Finanzmitteln und knappen Personalressourcen lassen sich nicht alle potenziell erforderlichen Instandsetzungsmaßnahmen in einem sinnvollen Rahmen unmittelbar in Angriff nehmen. Somit ist es nötig, die Bauwerke mit Instandsetzungsbedarf in einem zweiten Schritt weiter zu priorisieren, in dem auch Faktoren wie die Bedeutung des Bauwerks für die Schifffahrt, vorhandene Umfahrungsmöglichkeiten und die Bedeutung der Wasserstraße berücksichtigt werden. Derzeit laufende Untersuchungen in der BAW zeigen, dass auch dieser Prozess strukturiert, objektiv und transparent mit der Verwendung von Kennzahlen abgebildet werden kann.
Für die mittelfristige Instandsetzungsplanung interessiert darüber hinaus, wie sich die Bauwerke im Bereich der Noten 2 und 3 zukünftig verhalten und wann dort Instandsetzungen zu erwarten sind.
Ermittlung von Alterungsfunktionen
Prinzipiell lässt sich jedes Objekt mit einer Alterungskurve beschreiben, die dessen Zustandsentwicklung über die Zeit angibt. Die von Professor Raimund Herz, TU Dresden, entwickelte Herz-Funktion ist besonders aufgrund ihrer Flexibilität sehr gut geeignet, die Alterung von Infrastrukturbauwerken und deren Teilen abzubilden. Stahlbauelemente durchlaufen beispielsweise einen anderen Alterungsprozess als die massive Konstruktion oder die Ausrüstungsteile eines Bauwerks. Daher ist es erforderlich, verschiedene Alterungsfunktionen zu ermitteln. Um die Parameter dieser Funktionen zu bestimmen, hat die BAW das Delphi-Verfahren genutzt. Dabei handelt es sich um einen strukturierten Gruppen-Diskussionsprozess, der das in der WSV und der BAW vorhandene Expertenwissen systematisch erfasst, um die interessierenden Kenngrößen zu ermitteln. Als Ergebnis liegen nun Alterungsfunktionen für unterschiedliche Gewerke an Verkehrswasserbauwerken vor, welche die Zustandsnote des Bauwerks vom Herstellungszeitpunkt bis zum späteren Ausfall beschreiben. Damit ist es möglich, altersabhängig die aktuelle und die zukünftige Teilnote sowie den Ausfallzeitpunkt der Gewerke abzuschätzen.
Projektionen in die Zukunft
Aus den Alterungsfunktionen lässt sich zusätzlich auch eine Ausfallrate bestimmen, um mit ihr eine Markov-Matrix zu ermitteln. Die Markov-Matrix, benannt nach dem russischen Mathematiker Andrei Andrejewitsch Markov, beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Schaden in einem bestimmten Zeitschritt in der Schadensklasse bleibt oder die Schadensklasse wechselt (Schaden verschlechtert sich). Das Verfahren ist sehr gut geeignet, um erfasste Schäden in die Zukunft zu prognostizieren.
Werden die beiden Verfahren kombiniert, ist es möglich, eine Prognose über die zukünftige Zustandsentwicklung eines Bauwerks abzugeben. Dabei werden sowohl die erfassten Schäden als auch die Alterung bisher ungeschädigter Gewerke berücksichtigt. Die Teilnoten aus der Bauwerksinspektion fungieren dabei als Startwert für das aktuelle Jahr. Bild 2 zeigt, wie sich die Teilnoten für die Gewerke Konstruktion, Stahlbau und Ausrüstung eines Bauwerks, ausgehend von den Startwerten, entwickeln.
EMS-WSV unterstützt den Entscheidungsprozess
Hierauf aufbauend muss nun im EMS-WSV eine technisch begründete Zustandsgrenze festgelegt werden, die den schlechtesten noch tolerablen Zustand anzeigt. Danach lassen sich Eingreifzeitpunkte für die unterschiedlichen Gewerke ermitteln, ab denen mit einer Instandsetzungsplanung begonnen werden sollte. Wird diese tolerable Zustandsgrenze zum Beispiel auf die Note 3,5 gelegt, ergibt sich nach Bild 2 für die Konstruktion ein Eingreifzeitpunkt im Jahr 2033 und für den Stahlbau im Jahr 2027. Obwohl der Stahlbau mit einer besseren Teilnote startet, erreicht er vor der Konstruktion die Zustandsgrenze, denn das System berücksichtigt den schnelleren Alterungsprozess der Stahlbauteile gegenüber demjenigen der Konstruktion. An dem in Bild 2 gezeigten Bauwerk wird als Erstes eine Instandsetzung der Ausrüstungsteile erforderlich werden.
Auf die Bauwerke einer einzelnen Wasserstraße oder auf den Gesamtbestand der WSV angewendet, ergibt sich so der in Zukunft zu erwartende Instandsetzungsbedarf.
EMS-WSV verhilft zu Kostenprognosen
Um auch Aussagen über den finanziellen Umfang treffen zu können, muss schließlich im EMS-WSV der Instandsetzungsbedarf mit Kosten verknüpft werden. Eine Umfrage in der WSV lieferte dazu Daten für die Kosten von Instandsetzungsmaßnahmen an Schleusen aus den letzten 20 Jahren. Unter Berücksichtigung der Preissteigerung wurden diese Kosten zunächst maßgeblichen Gewerken zugeordnet und in einer Abstufung klein, mittel und groß als durchschnittliche Kosten zusammengefasst. In einem weiteren Schritt konnten dann die Instandsetzungsmaßnahmen und deren durchschnittliche Kostenansätze den Gewerken der Bauwerke in Abhängigkeit des Schadensbildes zugeordnet werden. Damit ist nun eine Aussage über die zukünftigen Instandsetzungskosten möglich. Bild 3 zeigt dies für Schiffsschleusenanlagen. Die Kosten wurden dabei aus der Betrachtung einer Teilmenge hochgerechnet.
Kontakt: bautechnik@baw.de
