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Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen von Monitoringmaßnahmen

Economic feasibility studies of structural health monitoring – Development of a concept for the analysis of benefits and costs of monitoring measures

  • Dieser Bericht beschreibt ein Konzept zur Bestimmung des Nutzens von Monitoringüberwachung an Brückenbauwerken. Infrastrukturbetreiber sind mit alternder Infrastruktur und knappen Ressourcen für Unterhalt und Instandsetzung konfrontiert. Um den Ressourceneinsatz zu optimieren, kann die Entscheidungsfindung bei Unterhalts- und Instandsetzungsfragestellungen durch Monitoring-überwachungen unterstützt werden: dank dem Monitoring stehen bessere Informationen zum Bauwerkzustand und dessen Entwicklung zur Verfügung, die es erlauben Unterhalt und Instandsetzungen optimal zu planen und umzusetzen. Monitoringmaßnahmen verursachen aber auch Kosten, und es stellt sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit der Monitoringmaßnahmen. Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten, weil der Nutzen stark kontextabhängig ist. Folgende Einflussgrößen müssen dabei berücksichtigt werden: die Schädigung der Brücke und deren erwartete zeitliche Entwicklung, die Zuverlässigkeit der Brücke, sämtliche Wirkungen der Brücke auf übergeordnete Systeme (Verkehrssystem, Gesellschaft, Wirtschaft, Umwelt), die Kosten der Instandsetzung und nicht zuletzt die Installations- und Unterhaltskosten des Monitorings. Das in diesem Forschungsbericht entwickelte Konzept erlaubt es, den Nutzen von Monitoringmaßnahmen in Funktion von diesen Einflussgrößen zu bestimmen. Das Konzept basiert auf der Value of Information Analyse, die ihrerseits auf der Bayes’schen prä-posteriori Entscheidungsanalyse aufbaut. Das Konzept ist praxisnah aufgebaut und berücksichtigt das etablierte Expertenwissen. Das Konzept nutzt das Schwellwertmonitoring und ist allgemein ausgelegt, um breit anwendbar zu sein. Es ist nicht schadensspezifisch, monitoringsystemspezifisch oder brückentypspezifisch. Getroffene Annahmen und Vereinfachungen zielen darauf ab, das Konzept für die Bestimmung des Nutzens bei bestehender Brückenvorschädigung in der Praxis ohne vertiefte Kenntnisse der probabilistischen Modellierung und der Zuverlässigkeitsrechnung anwendbar zu machen. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, welche Informationen dem Entscheidungsträger vor der Installation des Monitoringsystems zur Verfügung stehen und verwendet werden können. Nach den einleitenden Kapiteln werden in Kapitel 2 die Grundlagen im Rahmen einer Literaturrecherche zusammengestellt. Die Bestimmung der Kosten infolge von Verkehrsbehinderungen hat dabei eine große Bedeutung. In Kapitel 3 wird die Bayes’sche Entscheidungsfindung und deren Anwendung auf die Nutzenbestimmung von Monitoring erläutert. In Kapitel 4 wird das Konzept zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit von Monitoringmaßnahmen dargelegt. In Kapitel 4 wird auch die Kostenbestimmung infolge von Verkehrsbehinderungen unter Verwendung von Informationen aus einem Verkehrsmodell erklärt. In Kapitel 5 wird eine Methode dargestellt, mit der sich ohne automatisierte Berechnung im Verkehrsmodell die gesamtwirtschaftlichen Effekte ermitteln lassen. In Kapitel 6 ist die Umsetzung des Konzepts in einem Microsoft Excel-Tool detailliert beschrieben. In Kapitel 7 und 8 wird das Konzept und das Excel- Tool auf zwei reale Praxisbeispiele angewendet. Anhand der beiden Beispiele wird exemplarisch die Wirtschaftlichkeit der Monitoringstrategie untersucht. Basierend darauf wird eine Entscheidungsempfehlung für oder gegen die Installation des Monitoringsystems gegeben. In diesem Forschungsauftrag wurde ein einfach anzuwendendes und praxistaugliches Konzept entwickelt, um den wirtschaftlichen Nutzen von Monitoring zu bestimmen. Abschließend wurden aufgrund der Erkenntnisse aus diesem Forschungsprojekt weitere Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten identifiziert.
  • This report describes a concept for determining the benefits of monitoring surveillance on bridge structures. Infrastructure operators are confronted with ageing infrastructure and scarce resources for maintenance and repair. In order to optimize the use of resources, the decision making process for maintenance and repair issues can be supported by monitoring: thanks to monitoring, better information about the condition of the structure and its development is available, which allows to plan and implement maintenance and repair in an optimal way. However, monitoring measures also incur costs, and the question arises as to the economic efficiency of the monitoring measures. This question is not easy to answer because the benefits are strongly context-dependent. The following influencing variables must be taken into account: the damage to the bridge and its expected development over time, the reliability of the bridge, all effects of the bridge on superordinate systems (traffic system, society, economy, environment), the costs of repair and, last but not least, the installation and maintenance costs of the monitoring. The concept developed in this research report makes it possible to determine the benefit of monitoring measures as a function of these parameters. The concept is based on the Value of Information Analysis, which in turn builds on Bayesian pre-posteriori decision analysis. The concept is practically oriented and takes established expert knowledge into account. The concept uses threshold value monitoring and is designed to be broadly applicable. It is not damage specific, monitoring system specific or bridge type specific. Assumptions and simplifications made aim at making the concept applicable for the determination of the benefit in case of existing bridge damage in practice without in-depth knowledge of probabilistic modelling and reliability analysis. Special attention is paid to the information that is available and can be used by the decision maker before the monitoring system is installed. After the introductory chapters, chapter 2 compiles the basic principles within the framework of a literature search. The determination of the costs resulting from traffic obstructions is of great importance in this context. In chapter 3, Bayesian decision making and its application to the benefit determination of monitoring is explained. Chapter 4 presents the concept for determining the cost-effectiveness of monitoring measures. Chapter 4 also explains how to determine the costs of traffic congestion using information from a traffic model. Chapter 5 presents a method for determining the macroeconomic effects in the transport model without automated calculation. Chapter 6 describes in detail how to implement the concept in a Microsoft Excel-Tool. In chapters 7 and 8 the concept and the Excel-Tool are applied to two real practical examples. Using the two examples, the economic efficiency of the monitoring strategy is examined. Based on this, a decision recommendation for or against the installation of the monitoring system is given. In this research assignment an easy to use and practical concept was developed to determine the economic benefit of monitoring. Finally, further research and development opportunities were identified based on the findings of this research project.

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Metadaten
Author:Matthias Schubert, Michael H. Faber, Wolfgang Betz, Daniel Straub, Eileen Niemeier, Daniel Ziegler, Christoph Walther, Michal Majka
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-24466
ISBN:978-3-95606-531-6
Subtitle (German):Entwicklung eines Konzepts für die Analyse von Nutzen und Kosten
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau (156)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2020/10/19
Date of first publication:2020/10/19
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Corporative Author:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Contributing corporation:Matrisk GmbH, Affoltern a. A. (CH); Eracons GmbH, München; PTV Group, Karlsruhe; ASECon, Wrocław (PL)
Release Date:2020/10/19
Number of pages:197
Comment:
Bericht zum Forschungsprojekt: 89.0331
Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen von Monitoringmaßnahmen –
Entwicklung eines Konzepts für die Analyse von Nutzen und Kosten von Monitoringmaßnahmen
Institutes:Abteilung Brücken- und Ingenieurbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt

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