HABILITATION

Die in der Habilitation entwickelte Methodik zeigt erstmals eine durchgängige Modellierung einzelner Schäden bis zur spezifischer Zuordnung und Optimierung von Maßnahmen mit Timing, Bauloslänge, Finanzbedarf, Anlagevermögen unter Unsicherheit für beliebig komplexe Anlagen.

Zusammenfassung

Systematische Analysen zu Investitionsumfeld, Randbedingungen und Trends sind notwendige Grundlage für eine ganzheitliche Bewertung von Investitionsvorhaben der Verkehrsinfrastruktur. Ohne überzeugenden Nachweis eines signifikanten Nutzenüberschusses ist es unerheblich, ob ein Vorhaben in sich gut geplant oder gegenüber ausgewählten Alternativen vorteilhaft erscheint. Nur eine umfassende Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Wirtschaft, Infrastruktur und Verkehrsentwicklung schafft dazu eine fundierte Grundlage. Ausgehend von einem theoretischen Erklärungsansatz wird gezeigt, wie Investitionen Geschwindigkeit und Erreichbarkeit im System erhöhen und effizientere zentralere Produktion mit Skalenerträgen und günstigen Produkten ermöglichen. Dieser volkswirtschaftlichen Konsumentenrendite stehen empirisch quantifizierbare Wirkungen wie Kosten des Ausbaus, sekundäre Verlagerungseffekte mit Ballung und Entleerung sowie Umweltfolgen bei abnehmendem Grenznutzen gegenüber. 

HOFFMANN, M. (2018); Lebenszykluskosten der Straßeninfrastruktur Optimierung von Investitionsstrategien und technischen Maßnahmen, Bau- und Betriebsweisen für Straßenanlagen in ihrem Lebens-zyklus; Habilitationsschrift (Monographie); Wien; 548 S

Erhältlich als Hardcopy an der TU Wien am Institut für Verkehrswissenschaften (Heft Nr. 36)

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Der Methodenteil widmet sich der erstmaligen Entwicklung eines durchgängigen, konsistenten mathematischen Ansatzes für die Optimierung des Lebenszyklus beliebig komplexer, ersetzbarer und reparierbarer Anlagen unter Unsicherheit. Der wesentliche Beitrag besteht in der Verknüpfung von Zustands- und Zuverlässigkeitstheorie mit Lebenszyklusansätzen zu einer Klasse stochastischer Prozesse mit stetigem Zustandsverlauf in stetiger Zeit. Diese Prozesse erlauben die Berechnung stochastischer altersabhängiger Zustandsverteilungen und Restlebensdauern für jede stetige, skalierbare Zustandsfunktion und Ausfallsverteilung. Unter Einbeziehung der Überlebensanalyse können übliche Vereinfachungen sowie systematische Abweichungen und Verzerrungen deterministischer stetiger und diskreter stochastischer Ansätze vermieden werden. Die Anwendung des entwickelten Ansatzes in der Zustandsprognose auf Netz- und Projektebene berücksichtigt vorhandene Erfassungsdaten und erlaubt eine mathematisch korrekte Zuordnung zustandsabhängiger Risiken. Die Modellierung der Zustandsentwicklung von Schäden bzw. Elementen mit den entwickelten Algorithmen ermöglicht eine spezifische Zuordnung und Optimierung von Maßnahmen mit Timing und Bauloslänge, Finanzbedarf, Anlagevermögen und Verfügbarkeit.

Der entwickelte Ansatz erlaubt für den Straßenoberbau „top down“ die Bestimmung von Erhaltungs-strategie, Finanzbedarf, Restlebensdauer und Anlagevermögen auf Netzebene über einen standardisierten Lebenszyklus Oberbau. Ausgehend von den Anforderungen und Abläufen des Asset Managements und Analyse bestehender Pavement Management Systeme (PMS) erfolgt weiters eine Umsetzung „bottom-up“. Anhand einer umfassenden Analyse von Schadensursachen und Schäden, Zustandsmodellen, -grenzen und -bewertung, Aggregation und Zustandsprognose sowie Maßnahmenkosten und Optimierung werden die methodischen Grenzen bestehender Ansätze analysiert. Darauf aufbauend kann „ceteris paribus“ gezeigt werden, warum PMS - Ansätze mit homogenen Abschnitten und Gewichtung nach dem Prinzip der Kostenwirksamkeitsanalyse nicht optimal sind. Die spezifische Modellierung aller Variablen im entwickelten Ansatz vermeidet die Schwächen dieser Ansätze, führt jedoch zu einer extrem komplexen, dynamisch und nichtlinear wachsenden Problemgröße. Daher wurde für die Lösung ein spezieller Algorithmus entwickelt, der eine unlimitierte Anzahl an Abschnitten oder Anlagen mit linearem Anstieg der Laufzeit behandeln kann. Darüber hinaus wird anhand von Vergleichsrechnungen belegt, dass mit dem neuen Ansatz ein wesentlich effizienterer Mitteleinsatz gegenüber herkömmlichen Ansätzen möglich ist.

Die Anwendung dieses Ansatzes auf Brücken und Tunnels ermöglicht sowohl die Ableitung eines standardisierten Lebenszyklusmodells, als auch die Ermittlung von Anlagevermögen, Finanzbedarf und Verfügbarkeit auf Netzebene „top down“. Grundlegende Fragestellungen zu den Lebenszykluskosten von Trassenalternativen können auf dieser Ebene ebenfalls konsistent beantwortet werden, wodurch Fehlinvestitionen vermieden und eine effiziente Ressourcenallokation ermöglicht wird. Mit der Konzeption eines vollständigen Bauwerks Management Zyklus von Brücken und Tunnels bis auf Elementebene „bottom-up“ werden zudem bestehende Lücken geschlossen und die Basis für eine Umsetzung gelegt. Neben unmittelbaren Erkenntnissen aus der Analyse besteht der Nutzen insbesondere in präziseren Schadensansprachen und Prognosen sowie einem Effizienzgewinn mittels harmonisierter Instandsetzungsintervalle und optimierter Instandsetzungsstrategien. Bei entsprechender Umsetzung kann zudem der personelle Aufwand der Betreiber reduziert werden, was Ressourcen für die Umsetzung und systematische Verbesserungen frei macht. Alle wesentlichen methodischen Grundlagen und Ergebnisse sind durch entsprechende Nachweise belegt und hochrangig in internationalen Journalen und Konferenzen mit „peer review“ publiziert.

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