4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 269 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen François Marie Nyobeu Fangue Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Annemarie Seiffert Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Dr. Jörg Bödefeld Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Zusammenfassung In diesem Beitrag wird die Fehlermöglichkeiten- und Ausfallanalyse (FMEA) zur qualitativen Bestimmung der strukturellen Zuverlässigkeit von Verkehrswasserbauwerken verwendet. Ziel ist es, zusätzlich zu den aktuellen Zustandsnoten Kennzahlen zu entwickeln, die den Entscheidungsprozess hinsichtlich der Dringlichkeit von Instandsetzungsmaßnahmen unterstützen können. Sie werden auf der Grundlage von Expertenbefragungen und Inspektionsergebnissen ermittelt und sollen ein genaueres Bild über die Auswirkungen von Schäden auf bestimmte Bauwerksanforderungen liefern. Die ursprünglich für Wasserbauwerke entwickelte Methodik wird auf Brückenbauwerke übertragen und exemplarisch auf zwei Straßenbrücken (Schachtschleuse und Bierweg) angewendet. Trotz ihrer identischen Zustandsnote lässt die Anwendung der FMEA auf einen vorrangigen Instandsetzungsbedarf des Überbaus der Brücke „Schachtschleuse“ schließen. 1. Einleitung Die Erhaltung der Verkehrswasserbauwerke, insbesondere Schleusen, Wehre und Brücken, ist eine der wichtigsten Aufgaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Der heterogene Wasserbauwerksbestand in Deutschland ist gekennzeichnet durch eine beträchtliche Anzahl von Bauwerken, die sich aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters und den veränderten Umwelt- und Nutzungsbedingungen in einem unzureichenden Zustand befinden [1]. Unzureichende Unterhaltungsmaßnahmen aufgrund begrenzter personeller und finanzieller Ressourcen haben zudem zu einem Rückstand an notwendigen Erhaltungsmaßnahmen geführt. Aufgrund ihres Alters ist damit zu rechnen, dass die Zahl der erhaltungsbedürftigen Bauwerke in den kommenden Jahren weiter zunehmen wird. Die aktuelle Entscheidung über notwendige Erhaltungsmaßnahmen orientiert sich stark an der Zustandsnote, die auf Basis von Inspektionsergebnissen, generiert wird. Diese Kennzahl geht jedoch nicht explizit auf die Auswirkungen der Schäden auf die strukturelle Zuverlässigkeit der Bauwerke ein. Zur Behebung des Problems hat die Bundesanstalt für Wasserbau die Methodik „Fehlermöglichkeiten- und -Ausfallanalyse (FMEA)“ für eine Anwendung zur strategischen Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen an Schleusen und Wehren angepasst [2, 3]. Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des dritten Themenfeldes „Verlässlichkeit der Verkehrsinfrastruktur erhöhen“ des BMVI-Experten-netzwerks initiiert. Die FMEA ist ein weitverbreitetes Instrument zur Bewertung und Priorisierung des Risikos potentieller Fehler an Produkten oder Prozessen mithilfe einer Risikoprioritätszahl. In diesem Beitrag wird eine mögliche Übertragung des Ansatzes auf Brückenbauwerke der WSV vorgestellt. Unter Berücksichtigung von Expertenbefragungen wird mit Hilfe der Methodik eine fundierte Entscheidungsbasis für die Priorisierung des Instandhaltungsbedarfs geschaffen. Zu Beginn steht ein kurzer Überblick über die Brücken, die sich im Zuständigkeitsbereich der WSV befinden. Dem schließt sich eine Darstellung des erarbeiteten FMEA-Ansatzes zur Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen an Brücken bis hin zu seiner beispielhaften Anwendung auf zwei Stahlbetonbrücken der WSV an. 2. Hintergrund Zu den Brückenbauwerken, für deren Betrieb und Erhaltung die WSV zuständig ist, gehören rund 1.300 Straßen- und Eisenbahnbrücken, die Bundeswasserstraßen 270 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen queren. Hierunter fallen 1.052 Straßen- und Wegebrückenanlagen, an denen regelmäßig nach DIN 1076 „Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen“ [4] Schäden erfasst und im Hinblick auf ihren Einfluss auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit bewertet werden. Anders als die übrigen wasserbaulichen Anlagen im Zuständigkeitsbereich der WSV, stammt mit einem Anteil von knapp 70 % die Mehrzahl der Straßenbrücken aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, was zu einem mittleren Alter der Bauten von 45 Jahren führt, siehe Abbildung 1. Angesichts dieser Altersstruktur spricht die in Abbildung 2 dargestellte Zustandsverteilung mit 200 Bauwerken (14 %) in einem nicht ausreichenden bzw. ungenügenden Zustand für ein Optimierungspotential bei der Planung und Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen. Gerade der hohe Anteil von Bauwerken mit einem Zustand im mittleren Bereich deutet darauf hin, dass in Zukunft ein erhöhter Instandhaltungsbedarf zu erwarten ist, für dessen zielgerichteten Abbau im Folgenden ein mögliches Vorgehen aufgezeigt wird. Abbildung 1: Altersstruktur der 1.052 Straßen- und Wegebrückenanlagen im Zuständigkeitsbereich der WSV Abbildung 2: Zustandsnotenverteilung der 1.052 Straßen- und Wegebrückenanlagen im Zuständigkeitsbereich der WSV 3. Methodik Der Grundgedanke der Fehlermöglichkeiten- und Ausfallanalyse (FMEA) ist es, bereits in der frühen Phase der Produktentstehung bekannte und potenzielle Fehler, die die Funktionsfähigkeit eines Produktes beeinträchtigen könnten, zu identifizieren und zu verhindern, dass diese den Kunden erreichen [5]. Auch bezeichnet als Fehlerzustandsart- und Auswirkungsanalyse, ist die FMEA eine formalisierte und qualitative Methode zur systematischen und vollständigen Erfassung potentieller Fehler in Konstruktion, Planung und Produktion (DIN EN 60812) [5]. In der industriellen Praxis wird sie insbesondere zur präventiven Fehleranalyse und Qualitätssicherung von Produkten eingesetzt. Bereits in der Produkt- und Prozessentwurfsphase sollen potentielle Fehlerarten, die während der Herstellung oder Nutzung eines Produktes durch den Kunden auftreten könnten, identifiziert werden. Zu diesem Zweck werden von einem funktionsübergreifenden und multidisziplinären Team für jedes Produktelement die Fehlerursachen und deren möglichen Folgen auf die Kunden- und Qualitätsanforderungen abgeleitet. Die frühzeitige Kenntnis von Fehlern, Ursachen und deren Folgen ermöglicht es, das Risiko eines Fehlers abzuschätzen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die erste Anwendung der FMEA geht auf das Jahr 1949 zurück, als die Methode vom amerikanischen Militär in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit von Produkten und Prozessen während der Konstruktions- und Produktionsphase eingeführt wurde [7]. Von 1977 an wurde die FMEA zur Verbesserung der Produktqualität und zur Vermeidung von Rückrufen für Autos in der Automobilindustrie eingesetzt. Seitdem wurde die FMEA in verschiedenen Industriezweigen, einschließlich der Nuklear-, Elektronik-, Chemie-, Mechanik- und Gesundheitsindustrie, in denen Sicherheit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind, umfassend eingesetzt [8]. 3.1 Schritte Die FMEA ist eine induktive, qualitätssichernde Methode, die in den vier Schritten Systemanalyse, Funktionsanalyse, Fehleranalyse und Risikobewertung durchgeführt wird, siehe Abbildung 3 [5]. In der Systemanalyse werden die Elemente des betrachteten Systems identifiziert und zu einer hierarchischen Systemstruktur angeordnet. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 271 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen Abbildung 3: Ablauf einer FMEA zur Risikobewertung Hierfür werden alle relevanten Informationen über das System gesammelt und ausgewertet. In einer Top-down- Vorgehensweise wird ein System in einzelne Elemente untergliedert und die Schnittstellen zwischen ihnen ermittelt. Ziel des Schrittes ist die genaue Definition des zu berücksichtigenden Umfangs des betrachteten Systems. Den ermittelten Systemelementen werden in der darauffolgenden Funktionsanalyse Funktionen zugeordnet, die zu einer Funktionsstruktur miteinander verknüpft werden. Sie dient der Beschreibung der funktionalen Zusammenhänge zwischen den Systemelementen. Aus der System- und Funktionsstruktur resultiert die Fehlfunktionsstruktur, in der mögliche Fehlfunktionen abgeleitet werden. Häufig erfolgt die Ermittlung von Fehlfunktionen durch eine einfache Negation der Erfüllung der Funktionen der Elemente. Ziel dieser Fehleranalyse ist es, die kausalen Zusammenhänge zwischen dem Eintritt eines Fehlers und der Nichterfüllung einer geforderten Funktion bzw. Anforderung zu erkennen. Neben den Fehlerarten werden mögliche Fehlerfolgen und Fehlerursachen eindeutig identifiziert und in Zusammenhang gebracht. Es resultiert die in Abbildung 4 dargestellte Ursache-Wirkungskette (UWK), durch die sich Risiken im Prozess und ihre Wirkung auf das Produkt bzw. den Endkunden bestimmen lassen [5]. Abbildung 4: Ursache-Wirkungsketten mit den zugehörigen Kriterien: Bedeutung (B), Auftreten (A), Entdeckung (E) Der letzte Schritt, die Risikobewertung, dient der Erarbeitung von Vermeidungs-, Entdeckungs- oder Verbesserungsmaßnahmen zur Risikominimierung. Hierfür werden die Bedeutung der Fehlerfolge (B), die Auftretenshäufigkeit der Fehlerursache (A) und die Entdeckungswahrscheinlichkeit der Fehlerart (E) vor Übergabe an den Kunden abgeschätzt, siehe Abbildung 4. Aus der Multiplikation der drei Faktoren ermittelt sich die Risikoprioritätszahl (RPZ), die mit Werten von 1 bis 1000 das Gesamtrisiko jedes potentiellen Fehlers anzeigt. Die Berücksichtigung potentieller Verbesserungsmaßnahmen in einer erneut durchgeführten Risikobewertung ermöglicht schließlich eine Einschätzung der Effektivität bzw. Dringlichkeit der Maßnahmen. 3.2 Anpassung der FMEA Die Originalität der vorliegenden Studie besteht darin, dass die FMEA nicht in der Planungsphase, sondern in der Nutzungsphase für das Erhaltungsmanagement eines großen Objektportfolios eingesetzt wird. Zielstellung der angepassten FMEA ist es, zusätzliche Kennzahlen zur Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen an Bauwerken zu entwickeln. Die Eingangsdaten für die Durchführung der Methodik sind die Ergebnisse der regelmäßigen Bauwerksinspektionen, die als qualitative Daten vorliegen. Die FMEA wird als Methodik gewählt, da sie sich eignet um nicht nur die Zuverlässigkeit von Bauwerken qualitativ mithilfe von Expertenbefragungen zu beschreiben, sondern auch eine Aussage über die kausalen Zusammenhänge zwischen den erfassten Schäden und den strukturellen Anforderungen zu machen. Die Anwendung der FMEA zu einem anderen Verwendungszweck hat unterschiedliche Anpassungen erforderlich gemacht, die im Folgenden erläutert werden. Der Begriff Fehler ist in der konventionellen FMEA je nach Verwendungszweck mit einer unterschiedlichen Bedeutung hinterlegt. Für den Einsatz der FMEA im Erhaltungsmanagement werden als Fehler die Schäden gesehen, die im Rahmen der Bauwerksinspektionen nach DIN 1076 [4] erfasst werden und deren Instandsetzungsmaßnahmen priorisiert werden. Die Fokussierung auf Bauwerksschäden hat zu der in Abbildung 5 dargestellten Ursache-Wirkungskette geführt, die den Zusammenhang zwischen Schadensart, Schadensfolge und Schadensbild aufführt. Abbildung 5: Modifizierte Ursache-Wirkungskette und zugehörige Kriterien: Bedeutung (B), Auftretenshäufigkeit (A), Effektivität (E) In Abbildung 5 wird der erste Unterschied zur herkömmlichen Ursache-Wirkungskette deutlich, der darin besteht, dass an der Stelle der Fehlerursache das Schadensbild, als eine Gruppierung von Schäden ähnlicher 272 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen Gestalt, steht. Hintergrund ist, dass die Schadensbilder einen direkten kausalen Zusammenhang zur Schadensfolge aufweisen. Auf eine zusätzliche Identifizierung möglicher Schadensursachen wird verzichtet, da die verfügbaren Inspektionsberichte keine ausreichenden Informationen über die Ursachen der verschiedenen Schäden geben. Zur Ermittlung der Ursachen wären umfangreiche Untersuchungen der Materialeigenschaften und der Schadensmechanismen erforderlich. In der konventionellen FMEA wird mit der Bewertungszahl B die Bedeutung der Fehlerfolge für das Gesamtsystem bewertet, welches stets aus Sicht des Endverbrauchers geschieht [5]. Im Kontext des Erhaltungsmanagements bewertet die Bewertungszahl B die Sensitivität eines Objekts bzw. dessen Robustheit gegenüber der jeweiligen Schadensfolge. Dementsprechend wird die Nichteinhaltung vorgegebener Anforderungen (Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit) aufgrund der Schadensfolgen als Zielgröße für die B-Bewertung angesehen. Beispielsweise kann eine Schadensakkumulation/ -vergrößerung zu einer Beeinträchtigung der Anforderung an die Dauerhaftigkeit führen. Beim Kriterium Auftretenshäufigkeit (A) wird äquivalent zur herkömmlichen FMEA auf Erfahrungswerte und statistischen Auswertungen vorhandener Schadensdaten zurückgegriffen. Üblicherweise soll mit der Entdeckungswahrscheinlichkeit (E) geprüft werden, wie groß der nicht entdeckte, fehlerhafte Anteil in einem Gesamtlos eines Produktes ist. Zu diesem Zweck wird ermittelt mit welcher Wahrscheinlichkeit die Entdeckung der Fehlerursache vor der Auslieferung an den Kunden gelingt. Die E-Bewertung wird entsprechend der Effektivität bzw. Wirksamkeit der Entdeckungsmaßnahmen der jeweiligen Fehlerursachen vergeben [5]. Anders als in der konventionellen FMEA steht beim hier vorgestellten Ansatz die Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen von Schäden, die bereits aufgetreten sind, im Vordergrund. Die Behebung einer Schadensursache und die Verbesserung des baulichen Zustands hängen zumeist von der Effektivität der Instandsetzungsmaßnahme ab. Sie wird daher als ein Maß für die Qualitätssicherung verwendet. Durch die Instandsetzung eines hoch bewerteten Schadens lässt sich der Zustand des Bauwerks effektiver auf ein gewünschtes Niveau heben als durch die Instandsetzung eines niedrig bewerteten Schadens. Aus diesem Grund wird die Effektivität einer Instandsetzungsmaßnahme in Abhängigkeit der Schadensbewertung beurteilt. 4. Anwendung auf zwei Beispielbrücken Im Folgenden wird das Verfahren exemplarisch auf zwei Teilbauwerke von zwei Straßenbrücken im Verwaltungsbereich der WSV angewendet. Dabei handelt es sich um das zweite Teilbauwerk der „Straßenbrücke Schachtschleuse“ (Bauwerksnr. 6501280), die unweit von Eisenhüttenstadt die Oder überquert, und das erste Teilbauwerk der „Straßenbrücke Bierweg“ (Bauwerksnr. 5857010) in der Nähe der Stadt Marienwerder. Die Bauwerke wurden ausgewählt, weil sie als Stahlbeton-Plattenbalkenbrücken die Mehrzahl der Straßenbrücken der WSV repräsentieren. Die Überbauten der beiden Straßenbrücken weisen die gleiche Zustandsnote in von 3,0 auf. Ziel der im Folgenden dargestellten FMEA ist es daher eine stärkere Differenzierung zwischen den Bauwerken vorzunehmen, um das Bauwerk mit dem vordringlichen Instandsetzungsbedarf zu identifizieren. Auf eine vollständige Systemanalyse wird in diesem Fall verzichtet und stattdessen die Systematik am Systemelement Überbau aufgezeigt. Als seine Hauptfunktion wird die Weiterleitung von Lasten in den Unterbau und damit die mögliche Fehlfunktion keine Weiterleitung von Lasten in den Unterbau identifiziert. Die für die beiden Brücken durchgeführte Fehleranalyse und Risikobewertung wird im Folgenden erläutert. 4.1 Fehleranalyse Zentraler Bestandteil bei der Durchführung einer FMEA ist eine Fehleranalyse. Zur Sicherstellung der Qualität eines Produktes, müssen Abweichungen von festgelegten oder vorausgesetzten Funktionen bzw. Anforderungen an ein Produkt vermieden werden. Basierend auf der System- und Funktionsstruktur werden potentielle Fehlerarten, -folgen und -ursachen der Systemelemente identifiziert. Ein Fehler ist dabei als die Nichterfüllung einer Anforderung definiert. Die kausalen Zusammenhänge zwischen den drei Faktoren werden durch Ursache-Wirkungsketten (UWK) abgebildet, die anhand von Erfahrungen und Expertenbefragungen ermittelt werden. Tabelle 1 zeigt die Ursache-Wirkungsketten, die für Überbauten aus Stahlbeton von Straßenbrücken entwickelt wurden. Die Funktionen des Bauteils einer Brücke werden mit den Anforderungen an die Dauerhaftigkeit, Standsicherheit und Verkehrssicherheit nach DIN EN 1992-1-1 [9] beschrieben, deren Überschreiten eine fehlende Funktionsfähigkeit des Bauwerks bedeutet. Ihre Beeinträchtigung führt damit auf die untersuchten Schadensarten. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 273 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen Tabelle 1: Ursache-Wirkungsketten für den Überbau von Straßenbrücken aus Stahlbeton Schadensart Schadensfolge Schadensbild Eingeschränkte Dauerhaftigkeit Schadensakkumulation/ -vergrößerung Oberflächenabtrag nicht über Verkehrsraum Offenporige Oberfläche Risse ohne Trennrisse/ Gefügelockerung Feuchtigkeitsbzw. Wassereintritt Fugenschäden Beeinträchtigung des Erscheinungsbildes Verschmutzung Eingeschränkte Standsicherheit Bauteilversagen Lageänderung Korrosion Trennrisse, Risse mit Gefügelockerung Eingeschränkte Verkehrssicherheit Eingeschränkte Funktionsfähigkeit Durchbiegung Oberflächenabtrag über Verkehrsraum Zu Beginn steht die Aggregation möglicher Schäden am Massivbau zu Schadensbildern, welche die mögliche Ursache für die Nichteinhaltung einer Anforderung darstellen. Die in den Schadensbeispielen der „Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 (RI-EBW-PRÜF)“ [10] genannten Schäden werden zu zehn Schadensbildern aggregiert: - Oberflächenabtrag, nicht über Verkehrsraum (OA); - Offenporige Oberfläche (OO); - Risse ohne Trennrisse, Risse ohne Gefügelockerung (R1); - Fugenschäden (FS); - Verschmutzung (VS); - Lageänderung (LÄ); - Korrosion (K); - Trennrisse oder Risse mit Gefügelockerung (R2); - Durchbiegung (DB); - Oberflächenabtrag, über Verkehrsraum (OAV). In einem zweiten Schritt werden als mögliche Folgen der Schadensbilder die Schadensakkumulation/ -vergrößerung, der Feuchtigkeitsbzw. Wassereintritt, die Beeinträchtigung des Erscheinungsbildes, das Bauteilversagen und die eingeschränkte Funktionsfähigkeit identifiziert. Sie werden entsprechend ihrer Wirkung hinsichtlich der Dauerhaftigkeit, Standsicherheit oder Verkehrssicherheit klassifiziert. 4.2 Durchführung der Risikobewertung Das Ziel der FMEA-Implementierung im Erhaltungsmanagement ist die Ableitung zusätzlicher Kennzahlen, die die aktuelle Zustandsnote bei der Priorisierung von Instandsetzungsmaßnahmen an Bauwerken ergänzen können. Hierbei wird das potentielle Risiko jeder einzelnen Schadensart- Schadensfolge- Schadensbild-Kombination bewertet und geeignete Gegenmaßnahmen identifiziert. Als Basis für die Risikobewertung werden für jede Kombination (Ursache-Wirkungskette) folgende Bewertungskriterien qualitativ festgelegt: die Bedeutung der Schadensfolge (B), die Auftretenshäufigkeit (A) und die Effektivität der Maßnahmen (E) Aus den drei Bewertungskriterien wird durch Multiplikation die Risikoprioritätszahl (RPZ) errechnet, wobei die Werteskala zur Bewertung der drei Kriterien die ganzzahligen Werte von 1 bis 10 umfasst. Der Wertebereich für die RPZ erstreckt sich folglich von 1 bis 1000. Die RPZ ist ein Maß für das Gesamtrisiko jeder einzelnen möglichen Schadensart und dient als grober Richtwert für die Dringlichkeit von Instandsetzungsmaßnahmen. 4.2.1 Bedeutung der Schadensfolge (B) Die Bewertung der Bedeutung der Schadensfolge (B) wird in zwei Schritten durchgeführt. Die Bewertung wird für jeden Hauptbaustoff getrennt vorgenommen. Im ersten Schritt werden normative Anforderungen für den betrachteten Hauptbaustoff aufgestellt. Im zweiten Schritt wird die Auswirkung der Schadensfolgen auf die normativen Anforderungen bewertet. Die betrachteten Brückenüberbauten bestehen beide aus Stahlbeton, weshalb sie die gleiche B-Bewertung erhalten. Als normative Anforderung an Stahlbetonbauteilen wird die innere Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit, Gebrauchstauglichkeit und äußere Tragfähigkeit identifiziert und hinsichtlich ihrer relativen Bedeutung zueinander bewertet. Zum Einsatz kommt dabei die Bewertungsmethode analytischer-hierarchischer Prozess (AHP) entsprechend Tabelle 2 [11]. Die Festlegung der Bewertungszahl B erfolgt im Anschluss, indem in einer Evaluationsmatrix in Zeilen die Anforderungen an Bauwerke und in Spalten die Schadensfolgen gegenübergestellt und erneut paarweise verglichen werden. Das Vorgehen führt für Stahlbetonbauteile auf die in Tabelle 3 dargestellten Bedeutungen. 274 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen 4.2.2 Auftretenshäufigkeit des Schadensbildes (A) Mit der Bewertung der Auftretenshäufigkeit (A) soll die Anfälligkeit der Bauart bzw. Konstruktionsweise gegenüber dem jeweiligen Schadensbild bewertet werden. Eigentlich wird die Bewertungszahl auf der Grundlage einer Kombination aus statistischen Auswertungen der vorhandenen Inspektionsergebnissen und Expertenwissen abgeleitet. Zum jetzigen Zeitpunkt steht jedoch noch keine flächendeckende statistische Auswertung der Schadenshäufigkeit an Brücken der WSV zur Verfügung. Tabelle 2: Paarweiser Vergleich der Anforderungen an Stahlbetonbauteilen Innere Tragfähigkeit Gebrauchstauglichkeit / Betriebssicherheit Äußere Tragfähigkeit Dauerhaftigkeit Rang (Faktor f) Innere Tragfähigkeit 1,0 3,0 0,5 3,0 0,3 Gebrauchstauglichkeit / Betriebssicherheit 0,3 1,0 0,3 2,0 0,1 Äußere Tragfähigkeit 2,0 3,0 1,0 4,0 0,5 Dauerhaftigkeit 0,3 0,5 0,3 1,0 0,1 Summe 3,7 7,5 2,1 10,0 Tabelle 3: Ermittlung der Bedeutung der Schadensfolge (B) für Stahlbetonbauteile Faktor f Schadensakkumulation/ -vergrößerung Feuchtigkeitsbzw. Wassereintritt Beeinträchtigung des Erscheinungsbildes Bauteilversagen Eingeschränkte Funktionsfähigkeit Faktor 2 Innere Tragfähigkeit 0,3 1 1 0 2 1 0,6 Gebrauchstauglichkeit / Betriebssicherheit 0,1 1 1 1 2 2 0,3 Äußere Tragfähigkeit 0,5 1 0 0 2 1 0,9 Dauerhaftigkeit 0,1 2 2 1 1 1 0,2 Summe 1,1 0,6 0,2 1,9 1,1 2,0 Bedeutung 5 3 1 10 6 10 Um dennoch die Systematik der FMEA illustrieren zu können, werden die Werte auf Basis einer Schadensauswertung an Straßenbrücken, die in den Zuständigkeitsbereich der Straßenbauverwaltung fallen und damit keine Wasserstraßen überführen, generiert [12]. Darin sind typische Schadensbilder speziell für Überbauten getrennt nach Konstruktionsweisen aufgeführt. Die Überbauten der Brücke „Schachtschleuse“ und „Bierweg“ sind beide in der Konstruktionsform „Plattenbalken“ ausgeführt. Da die A-Bewertung für bestimmte Konstruktionsweisen festgelegt wird, resultieren für die Bauten dir in Tabelle 5 aufgeführten identischen A-Bewertungen. 4.2.3 Effektivität der Maßnahmen (E) Ausgangspunkt für die Bewertung der Effektivität der Maßnahmen (E) sind die Zustandsberichte der betrachteten Brücken, die am 29.06.2020 aus SIB-Bauwerke ausgelesen wurden. Die darin enthaltenen Schäden werden den in der Ursache-Wirkungskette genannten Schadensbildern zugeordnet. Ausschlaggebend für die Beurteilung der Effektivität ist dabei stets der Schaden mit der schlechtesten Schadensbewertung eines Schadensbildes. Dabei wird entsprechend der Zuordnung des Schadensbildes zur Schadensart, siehe Tabelle 1, die Schadensbewertung der „Standsicherheit“, der „Verkehrssicherheit“ 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 275 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen oder der „Dauerhaftigkeit“ verwendet. Unter Berücksichtigung des Schadensumfangs wird ein Zuschlag (+0,1) oder ein Abschlag (-0,1) auf die vom Inspektionspersonal vergebene Schadensbewertung addiert, um die modifizierte Zustandsnote auf der Schadensebene zu erhalten. Beispielsweise wird für eine „mehrfach“ aufgetretene „Abplatzung mit freiliegender Bewehrung“ mit einer Schadensklasse 3 auf Schadensebene eine modifizierte Note von 3,1 berechnet. Zur Vereinheitlichung der Notenskalen wird die Bewertung der Effektivität im Anschluss auf eine Bewertungsskala von 0 bis 10 umgerechnet (Tabelle 4), welches auf die in Tabelle 5 aufgeführten I-Bewertungen führt. Tabelle 4: Skalierung der Benotung der Effektivität Note auf Schadensebene E-Bewertung 1 1 1,1 2 1,9 3 2 4 2,1 5 2,9 6 3 7 3,1 8 3,9 9 4 10 5. Ergebnisse Tabelle 5 zeigt die Werte der drei Bewertungskriterien B, A und E, die für die Überbauten der zwei Straßenbrücken „Schachtschleuse“ (2. Teilbauwerk) und „Bierweg“ (1. Teilbauwerk) ermittelt wurden. Unter Verwendung der drei Bewertungskriterien (B, A und E) wurde die Risikoprioritätszahl für jedes Schadensbild berechnet und in Abbildung 6 dargestellt. Anhand Abbildung 6 lassen sich drei Haupttendenzen erkennen. Die erste Hälfte des Risikoprofils, einschließlich der Schadensbilder Oberflächenabtrag, nicht über Verkehrsraum (OA), offenporige Oberfläche (OO), Risse ohne Trennrisse/ Gefügelockerung (R1), Fugenschäden (FS) mit Werten bis 320, besteht hauptsächlich aus der Bewertung von Schäden, die die Dauerhaftigkeit des Bauwerks einschränken könnten. Dort ist zu erkennen, dass der Überbau der Straßenbrücke „Schachtschleuse“ im Vergleich zu der Straßenbrücke „Bierweg“ stärker von dauerhaftigkeitsrelevanten Schäden betroffen ist. Das wesentliche Schadensbild für den Überbau der Straßenbrücke Schachtschleuse ist das massive Auftreten von dauerhaftigkeitsrelevanten Rissen (R1), die langfristig die Standsicherheit des Bauwerks beeinträchtigen könnten. Hervorzuheben ist auch, dass im Gegensatz zum Überbau der Straßenbrücke „Schachtschleuse“ die Auswertung des Überbaus der Straßenbrücke „Bierweg“ verkehrssicherheitsrelevante Schäden aufweist. In Bezug auf standsicherheitsrelevante Schäden (Lageänderung (LÄ), Korrosion (K) und Trennrisse oder Risse mit Gefügelockerung (R2)) zeigen beide Überbauten den gleichen Trend. Besonders die Korrosion des Betonstahls steht offenbar als Hauptursache für die strukturellen Schäden der Bauten im Vordergrund. Obwohl beide Überbauten die gleiche Zustandsnote aufweisen, deuten die berechneten Risikoprioritätszahlen auf einen höheren Bedarf an Instandsetzungsmaßnahmen der Brücke „Schachtschleuse“ hin. Die dauerhaftigkeitsrelevanten Risse sollten beseitigt werden, um eine weitere Verschlechterung des baulichen Zustands der Straßenbrücke „Schachtschleuse“ zu vermeiden. Tabelle 5: Resultierende FMEA für die Überbauten der Brücken „Schachtschleuse“ (Teilbauwerk 2) und „Bierweg“ (Teilbauwerk 1) Brücke Schachtschleuse Brücke Bierweg Schadensbild B A E RPZ B A E RPZ OA 5 8 8 320 5 8 8 320 OO 5 4 8 160 5 4 6 120 R1 5 7 8 280 5 7 0 0 FS 3 3 6 54 3 3 0 0 VS 1 2 0 0 1 2 0 0 LÄ 10 2 0 0 10 2 0 0 K 10 10 5 500 10 10 5 500 R2 10 4 0 0 10 4 0 0 DB 6 3 0 0 6 3 0 0 OAV 6 5 0 0 6 5 2 60 276 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Ein FMEA-Ansatz zur besseren Auswertung von Inspektionsergebnissen Abbildung 6: Risikoprofile der Überbauten, grau hinterlegt Schadensbilder mit Auswirkungen auf die Standsicherheit 6. Zusammenfassung und Ausblick In diesem Beitrag wird ein Ansatz zur qualitativen Bewertung der strukturellen Zuverlässigkeit von Wasserbauwerken mittels der FMEA vorgestellt. Ausgehend von den Auswirkungen verschiedener Schäden auf die spezifischen Anforderungen an Bauwerken werden zusätzliche Kennzahlen entwickelt. Zur Ermittlung der kausalen Zusammenhänge zwischen Schäden und den normativen Anforderungen (Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Verkehrssicherheit) dienen Ursache-Wirkungs-Ketten. Das Risiko der einzelnen Kombinationen wird durch eine Risikoprioritätszahl (RPZ), die sich aus dem Produkt der Bewertungskriterien Bedeutung (B), Auftretenshäufigkeit (A) und Effektivität der Maßnahme (E) zusammensetzt. Auf Grundlage von Ergebnissen der RPZ können in Ergänzung zur derzeitigen Zustandsnote Instandsetzungsmaßnahmen priorisiert werden. Die FMEA-Methodik wird beispielhaft auf die Überbauten von zwei Stahlbetonbrücken der WSV angewendet, welches auf einen höheren Instandsetzungsbedarf der Brücke „Schachtschleuse“ führt. Die Bewertung der Kriterien (B, A und E) wurde durch Erfahrungs- und Expertenwissen unterstützt. Aus diesem Grund können sie mit Unsicherheiten behaftet sein, die berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus müssen auch die Schwächen der FMEA berücksichtigt werden, wie die relative Bedeutung der Risikofaktoren und das Fehlen eines mathematischen Hintergrundes für die Formulierung der RPZ als Produkt von B, A und E. Daher besteht die zukünftige Forschung darin, Unsicherheitstheorien (Fuzzy-Set-Theorie) [13] und Methoden der multikriteriellen Entscheidungsfindung anzuwenden, um die Aussagefähigkeit der FMEA-Ergebnisse zu steigern [8]. 7. Literatur [1] Westendarp, Andreas; Becker, Holger; Bödefeld, Jörg; Fleischer, Helmut; Kunz, Claus; Maisner, Matthias et al. (2015): Erhaltung und Instandsetzung von massiven Verkehrswasserbauwerken. In: Frank Fingerloos und Johann-Dietrich Wörner (Hg.): Beton-Kalender 2015 Schwerpunkte. Bauen im Bestand Brücken. 5th ed. Hoboken: Wiley (Beton-Kalender (VCH) *), S. 186-246. [2] Panenka, Andreas; Nyobeu, François (2018a): Condition assessment based on results of qualitative risk analyses. In: Robby Caspeele, Luc Taerwe und Dan M. 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