Sicherheit und Risiko im Konstruktiven Ingenieurbau

372 Pages·1992·9.955 MB·German

by  Dr.-Ing. Oswald Klingmüller, Dr.-Ing. (A) Ulrich Bourgund (auth.)

Klingmüller . Bourgund
Sicherheit und Risiko
1m
Konstruktiven Ingenieurbau
Oswald Klingmüller
Ulrich Bourgund
Sicherheit und Risiko
•
1m
Konstruktiven
Ingenieurbau
aI
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Klingmüller, Oswald:
Sicherheit und Risiko im Konstruktiven Ingenieurbau /
Os wald Klingmüller; Ulrich Bourgund. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1992
ISBN 978-3-528-08835-4 ISBN 978-3-322-91108-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91108-7
NE: Bourgund, Ulrich:
Dr.-Ing. Oswald Klingmüller
KIBB - Klingmüller . Ingenieur Beratung im Bauwesen
GSP - Gesellschaft für Schwingungsuntersuchungen und dynamische Prüfmethoden mbH
Mannheim
Dr.-Ing. (A) Ulrich Bourgund
Leiter der Abteilung Computer Simulation
Konzern-Forschung, Hilti AG, Liechtenstein
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1992
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1992
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5
Inhalt
Vorwort ................................................................................................ 9
1 Einleitung .......................................................................................... 11
1.1 Sicherheit und Versagenswahrscheinlichkeit ......................................... 11
1.2 Wahrscheinlichkeitstheoretische Probleme der Datenbasis .......................... 14
1.3 Zulässige Versagenswahrscheinlichkeit ............................................... 22
1.4 Vorteile des konsistenten Sicherheitskonzeptes ....... '" ............................ 27
1.5 Risikoanalyse ............................................................................. 32
1.6 Zum Gebrauch des Textes .............................................................. 33
Literatur ......................................................................................... 34
2 Sicherheitsanalyse ............................................................................. 35
2.1 Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit ..................................... '" 35
2.1.1 Grundlagen ..................................................................... 35
2.1.2 Näherungsverfahren zur Berechnung der
Versagenswahrscheinlichkeit ................................................ 43
2.1.3 Monte-Carlo-Simulation ...................................................... 52
2.2 Grenzzustandsfunktionen ............................................................... 56
2.2.1 Vorbemerkungen .............................................................. 56
2.2.2 Zulässige Spannungen ........................................................ 58
2.2.3 Finite-Elemente-Berechnung und Grenzzustandsbedingungen .......... 62
2.2.4 Fließbedingungen ............................................................. 65
2.2.5 Schnittkraftinteraktionen ...................................................... 68
2.3 Kontrollpunkte und Tragwerksversagen .............................................. 75
2.4 Grenzzustände bei dynamischer Belastung ........................................... 84
Literatur ......................................................................................... 93
3 Sicherheitskonzept auf wahrscheinlichkeitstheoretischer Grundlage .................... 97
3.1 Einführung .................... '" '" ...................................................... 97
3.2 Grundlagen des probabilistischen Sicherheitskonzeptes ........................... 101
3.2.1 Grundbegriffe ................................................................. 101
3.2.2 Herleitung von Teilsicherheitsbeiwerten ................................... 101
3.2.3 Aufbau probabilistischer Normen .......................................... 107
3.2.4 Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen ................................. 109
6 Inhalt
3.2.5 Teilsicherheitsbeiwerte der Beanspruchbarkeit ........................... 111
3.2.6 Kombinationsfaktoren ....................................................... 111
3.2.7 Bemessung mit dem neuen Sicherheitskonzept. .......................... 112
3.3 Sensitivität von Teilsicherheitsbeiwerte .............................................. 114
Litemtur ........................................................................................ 116
4 Grenzzustände von Tragwerken ............................................................ 118
4.1 Grenzzustandsbedingungen bei geometrisch nichtlinearer Berechnung .......... 118
4.2 Grenzzustände von Tragwerken bei Lastumlagerung ............................... 123
4.3 Genauere Verfahren der Zuverlässigkeitsbeurteilung ............................... 145
4.3.1 Einführung .................................................................... 145
4.3.2 Diskussion der Berechnungsmethoden .................................... 146
4.4 Sicherheitsbeurteilung von Systemen mit großer Variablen zahl. .................. 155
4.4.1 Allgemeines ................................................................... 155
4.4.2 Methodik des Antwort-Flächen-Verfahrens ............................... 156
4.4.3 Anwendung des Antwort-Flächen-Verfahrens ............................ 157
4.4.4 Numerisches Beispiel ....................................................... 159
Litemtur ........................................................................................ 163
5 Extreme LastfaIle ............................................................................. 167
5.1 Vorbemerkungen ........................................................................ 167
5.2 Zeitabhängige Vorgänge und extreme Ereignisse ................................... 168
5.2.1 Straßenverkehr ................................................................ 168
5.2.2 Wasserstände ................................................................. 171
5.2.3 Wind ........................................................................... 178
5.2.4 Erdbeben ...................................................................... 187
5.2.5 Welle ........................................................................... 189
5.3 SicherheitslastfaIle ...................................................................... 193
5.3. 1 Flugzeugabsturz .............................................................. 193
5.3.2 Explosionsdruck .............................................................. 195
5.3.3 Kälteschock-Reißverschlußversagen ....................................... 196
5.3.4 Stellung der SicherheitslastfaIle in einem
konsistenten Sicherheitskonzept.. ........ , ... , ............................. 197
5.4 Kombination extremer LastfaIle ....................................................... 198
Litemtur ........................................................................................ 201
Inhalt 7
6 Risikoanalyse .................................................................................. 205
6.1 Vorbemerkungen ........................................................................ 205
6.2 Einführendes Beispiel zur Risikoanalyse ............................................ 212
6.2. 1 Die Situationsbeschreibung ................................................. 212
6.2.2 Die Risikoanalyse ............................................................ 215
6.3 Systemanalyse ........................................................................... 228
6.3.1 Was ist ein System ? ........................................................ 228
6.3.2 Systembeschreibung ......................................................... 230
6.3.3 Ausfalleffektanalyse .......................................................... 234
6.3.4 Fehlerbaumanalyse ........................................................... 236
6.3.5 Störfallablaufanalyse ......................................................... 237
6.4 Schadenskosten und Berechnung des Risikos ....................................... 238
6.4.1 Sachschaden .................................................................. 238
6.4.2 Personenschaden ............................................................. 239
6.4.3 Risikokataster ................................................................. 241
6.4.4 Berechnung des Risikos ..................................................... 242
6.4.5 Bewertung des Risikos ...................................................... 243
6.5 Auswertung der Risikoanalyse ........................................................ 245
6.5.1 Sensitivitätsanalyse ........................................................... 246
6.5.2 Strategie zur Risikoreduktion ............................................... 249
Literatur ........................................................................................ 263
Anhang A ........................................................................................... 266
Al Grundlagen der mathematischen Statistik .................................................. 266
A 1.1 Einführung ........................................................................... 266
A1.2 Parameterschätzung ................................................................. 266
A 1.3 Intervallschätzung des Mittelwertes ............................................... 267
A 1.4 Bestimmung von Verteilungsmodellen für Datensätze .......................... 269
Literatur ........................................................................................ 272
A2 Rechenregeln für Wahrscheinlichkeiten .................................................... 273
A2.1 Allgemeines .......................................................................... 273
A2.2 Grundlagen ........................................................................... 274
A2.3 Regeln der Wahrscheinlichkeitsrechnung ......................................... 277
A2.4 Zusammenfassung ................................................................... 283
Literatur ........................................................................................ 283
8 Inhalt
A3 Zufallsvariable und ihre Beschreibung ..................................................... 284
A3.1 Einführung ........................................................................... 284
A3.2 Parameter zur Beschreibung der Wahrscheinlichkeitsverteilung von
Zufallszahlen ......................................................................... 287
A3.3 Gebräuchliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen ................................. 291
A3.4 Mehrdimensionale Problemstellungen ............................................ 309
A3.5 Funktionen von Zufallszahlen ...................................................... 320
A3.6 Näherungsweise Berechnung der Momente allgemeiner Funktionen
stochastischer Variablen ............................................................ 327
A3.7 Zusammenfassung ................................................................... 330
Literatur ........................................................................................ 330
A4 Erzeugung von Zufallszahlen ................................................................ 332
A4.1 Allgemeines .......................................................................... 332
A4.2 Erzeugung von standard-gleich verteilten Zufallszahlen ......................... 333
A4.3 Programmtechnische Realisation des Zufallszahlengenerators ................. 336
A4.4 Erzeugung von Zufallszahlen bekannter Dichtefunktionen ..................... 337
A4.5 Erzeugung von Zufallszahlen mehrdimensionaler Dichtefunktionen .......... 342
A4.6 Zusammenfassung ................................................................... 343
Literatur ........................................................ , ............................... 343
A5 Stochastische Prozesse ....................................................................... 345
Literatur ........................................................................................ 358
Anhang B ............ '" .. , ......................................................................... 359
BI Fachwörterverzeichnis ...................................................................... 359
B2 Abkürzungen / Organisationen ............................................................ 362
B3 Grundlagenliteratur ......................................... , ............................... 363
B3.1 Lehrbücher der Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie ...................... 364
B 3.2 Lehrbücher der Sicherheitstheorie und Hauptaufsätze .......................... 364
B3.3 Risikoanalysen ....................................................................... 365
Register ............................................................................................ 366
9
Vorwort
Nachdem der Sonderforschungsbereich 96 "Sicherheit von Baukonstruktionen" nach
15jähriger erfolgreicher Tätigkeit, im Jahre 1986 aufgelöst wurde, ist es etwas still gewor
den um die Sicherheitstheorie und die wahrscheinlichkeitstheoretischen Implikationen des
Konstruktiven Ingenieurbaues.
Groß waren die Hoffnungen, als das Anfang der sechziger Jahre von nur wenigen Inge
nieurwissenschaftlern bearbeitete Forschungsthema durch Anregungen aus den USA wie
der populärer wurde. Dort wurde von A.M. Freudenthai immer wieder auf die Bedeutung
des Zusammenwirkens von Mechanik und Statistik hingewiesen. Seine Schüler beiderseits
des Ozeans hatten die Hoffnung, daß sich auf Grund der Ableitung einer optimalen zulässi
gen Versagenswahrscheinlichkeit Sicherheit ganz rational und sozusagen zwangsläufig ge
währleisten lassen müsse.
Die Vorstellung, durch wissenschaftliche Methoden der Statistik ließe sich Sicherheit von
Baukonstruktionen herstellen und nachweisen, paßte sehr gut in die Fortschrittseuphorie der
60er und 70er Jahre. Für eine Fülle von Problemstellungen im Bereich des Konstruktiven
Ingenieurbaues wurden theoretische Lösungen erarbeitet. Es zeigte sich aber, daß Statistik
ein recht mühseliges Geschäft ist und nur, wenn genügend Daten vorliegen, zu brauchbaren
Ergebnissen führen kann.
Es gelang allerdings, die praktisch tätige Fachwelt durch den Entwurf umfassend theore
tisch begründeter Bemessungsvorschriften zu verunsichern und heftige Diskussionen zwi
schen Befürwortern und Gegnern der neuen Sicherheitskonzepte auszulösen.
Zwischenzeitlich hat sich die Aufregung gelegt. Das Thema kann wieder nüchtern betrachtet
werden und auch dem deutschen Praktiker, der gemäß DIN 1045, im Gegensatz zu seinen
Kollegen in andern Ländern, das Eigengewicht immer mit dem Faktor 1.75 vergrößern
mußte, ist auch der Vorteil von Teilsicherheitsbeiwerten aus seiner täglichen Erfahrung klar
geworden.
Um hier eine gewisse Unterstützung zu geben, hielten wir es für richtig, das im deutschen
Sprachraum in Monographien nicht allzu üppig bedachte Thema in einem Buch aus unserer
Sicht der interessierten Fachwelt näher zu bringen. Zusätzlich motivierend war, daß die
Kenntnisse der Sicherheitstheorie in unserer jeweiligen praktischen Tätigkeit immer wieder
10 Vorwort
sehr von Nutzen sind und außerdem die nicht abgeschlossene Entwicklung der Eurocodes
dem Thema kontinuierlich Aktualität verleiht.
Das Buch ist im Verlauf einiger Jahre gewachsen und verdankt zahlreichen Kollegen der
Firmen Bilfinger+Berger (Mannheim) und Hilti AG (Schaan, Liechtenstein), sowie den
Universitäten Essen und Innsbruck und dem Urban Earthquake Hazard Research Center der
Universität Kyoto wertvolle Anregungen.
Besonderer Dank der Verfasser gebührt Frau Christine Bourgund für die sorgfältige Über
arbeitung und redaktionelle Gestaltung des Textes.
Mannheim/Lindau, März 1992