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Contributions to reliability assessment of engineering structures with special regard to seismic safety of an arch dam

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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]

Die Sicherheit von Bauwerken hängt von Einwirkungen und Widerständen ab, welche dem Zufall unterliegen. Berechnungsingenieure tragen diesen Zufälligkeiten üblicherweise mittels Sicherheitsfaktoren Rechnung. Obwohl sich diese Vorgehensweise in der Praxis bewährt hat, ist sie eher ungeeignet für den Entwurf eines Bauwerks gemäß einer vorgegebenen Zuverlässigkeit im Sinne einer Schadensoder Versagenswahrscheinlichkeit bezogen auf einen Zeitraum. Das liegt daran, dass das Zusammenspiel aller Einwirkungen und Widerstände bei einem realen Bauwerk viel komplizierter ist als jegliche Situation, die von einem allgemeinen Normenwerk genau abgedeckt werden kann. Jeder Bauingenieur, der schon einmal (z.B. von einem Laien) gefragt wurde, unter welcher Last eine Brücke mit Lastbeschränkung denn nun wirklich einstürtzt, wird dies leicht nachvollziehen können. Dem Ziel, eine genaue Aussage über die Versagenswahrscheinlichkeit (bzw. über die exakte maximale Tragfähigkeit) treffen zu können, kommt man näher, indem man eine probabilistische Berechnung vornimmt. Dabei gehen die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Einwirkungen und Widerstände direkt in die Tragwerksberechnungen ein. Dadurch dass Tragwerksberechnungen heute vorwiegend mit numerischen Methoden durchgeführt werden, erfolgt auch die eigentliche probabilistische Analyse numerisch. Das entsprechende Verfahren heißt Monte-Carlo-Simulation. Dabei wird eine Stichprobe mit unterschiedlichen Parametersätzen untersucht. Die Verteilung der resultierenden Antwortgrößen, insbesondere die Anzahl der Grenzzustandsüberschreitungen, gibt Aufschluss über Schadens- und Versagenswahrscheinlichkeiten, bzw. über die exakte Traglast. Diese Dissertation beginnt mit einer Darstellung der Zuverlässigkeitstheorie. Es werden die Hintergründe des semiprobabilistischen Sicherheitskonzepts an einem einfachen Beispiel erläutert. Darauf aufbauend erfolgt der Übergang auf immer allgemeinere und kompliziertere Systeme, wobei auf die sich daraus ergebenden Einschränkungen eingegangen wird. Dies führt schließlich zur Monte-Carlo-Simulation (MCS), welche die universalste Methode der Zuverlässigkeitsberechnung darstellt. Das Thema des darauffolgenden Abschnitts ist die Abschätzung sehr kleiner Versagenswahrscheinlichkeiten. Hierbei stößt die herkömmliche MCS bisweilen an Grenzen, da die hohe Anzahl an erforderlichen Simulationen den Berechnungsaufwand unerschwinglich macht. Diesem Unstand kann man mittels Asymptotic Sampling entgegentreten. Das Zuverlässigkeitsproblem, d.h. die multivariate Verteilungsfunktion und die Grenzzustandsbedingung, wird dabei zunächst in den Standardnormalraum transformiert. Dann werden Monte-Carlo-Schätzungen für die Versagenswahrscheinlichkeiten einiger künstlich gestreckter (skalierter) Systeme durchgeführt. Der Berechnungsaufwand ist hierfür wesentlich geringer, weil die Versagenswahrscheinlichkeiten höher sind. Die Versagenswahrscheinlichkeit des Originalsystems ergibt sich dann aus Extrapolation der Ergebnisse für die gestreckten Systeme. Dabei werden gewisse asymptotische Eigenschaften im Standardnormalraum genutzt, welche in dieser Arbeit detailliert erklärt werden. Es werden Verfahren zur Optimierung der Asymptotic-Sampling-Methode präsentiert. Insbesondere wird ein Verfahren entwickelt, das im Falle einer sehr hohen Anzahl an Zufallsvariablen verbesserte Ergebnisse liefert. Zudem werden Empfehlungen für die optimale Anzahl von Skalierungsstufen und Einzelauswertungen gegeben. Darüber hinaus wird die Methode erweitert, sodass sie Überschreitungswahrscheinlichkeiten für ein Bandbreite von Werte der Antwortgrößen ergibt. Anhand von drei Beispielen werden die Vorzüge der (weiter-)entwickelten Methoden aufgezeigt.

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Bücher, Broschüren

Jörg-Martin Hohberg
Trennflächenformulierungen für die statische und dynamische Berechnung von Bogenstaumauern
Bericht - Institut für Baustatik und Konstruktion IBK, ETH Zürich, Band 163
1988, iii, 255 S., 38 SW-Abb. 297 mm, Softcover
Springer, Basel

 

 

Im Rahmen eines Forschungsprojekts an der ETH Zuerich ueber die Erdbebenbeanspruchung von Staumauern entstand der vorliegende Bericht zu Moeglichkeiten der nichtlinearen Berechnung von Bogenstaumauern mit der Methode der finiten Elemente. Eine Sichtung der Bemessungs- und Konstruktionsprinzipien erlaubt zusammen mit Beobachtungen an bestehenden Staumauern und Labormodellen, typische Schwaechezonen zu identifizieren, die einen massgebenden Einfluss auf das statische und dynamische Verhalten haben. Kritische Fragen zur Anwendung der Methode der finiten Elemente werden aufgenommen, Entwicklungstendenzen lokaler Versagensmodelle vorgestellt und mit bisherigen Ansaetzen nichtlinearer Bogenstaumauerberechnung verglichen. Das Konzept diskreter, raeumlicher Trennflaechen wird weiterverfolgt. Eine Loesungsform des allgemeinen Kontaktproblems, die Technik der Straffunktionen, fuehrt auf die Familie zwei- und dreidimensionaler Fugenelemente. Die unterschiedlichen Modellvorstellungen zur Kraftuebertragung in der Trennflaeche und ihre Umsetzung in variabel-elastische und elasto-plastische Kontaktgesetze werden diskutiert. Schliesslich wird versucht, die numerischen Loesungsverfahren im Hinblick auf Stabilitaet, Konvergenz und Pfadabhaengigkeit neu zu sichten und zusammenzustellen. (-y-); The present report explores the prospects of nonlinear analysis of arch dams with the finite element method. The principles of design and construction of arch dams as well as observations on prototypes and physical models suggest typical zones of weakness, which significantly affect the static and dynamic behaviour of a dam. The applicability of finite elements is investigated, reporting current trends in localized fracture modeling and comparing them with existing approaches to nonlinear arch dam analysis. The concept of discrete, three-dimensional joints is adopted for further study. A special variant of the general contact problem, the technique of penalty stiffness parameters, leads to the family of joint elements in two and three dimens

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Bauer, Andreas; Strobl, Theodor
Staudamm Roßhaupten - vom auffälligen Messwert zur Großbaustelle
Wasserwirtschaft, 2020

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Zuverlässigkeitsnachweise von Talsperren mit Teilsicherheitsbeiwerten
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Stojnic, Ivan; Pfister, Michael; Matos, Jorge; De Cesare, Giovanni; Schleiss, Anton
Bemessung von klassischen Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen (kostenlos)
Wasser Energie Luft - Eau Energie Air, 2020

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Staudacher, Edwin; Zenz, Gerald
Standsicherheitsnachweise von Gewichtsstaumauern mit CADAM2D (kostenlos)
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