Merkblatt DWA-M 520: Probabilistische Methoden im Wasserbau

Hennef, 1. November 2023. Die DWA hat das Merkblatt DWA-M 520 „Probabilisitsche Methoden im Wasserbau“ veröffentlicht.

Unter anderem haben Hochwasserereignisse (2013, 2021) und Dürren (2018, 2019, 2020) gezeigt, dass wir mit „unwahrscheinlichen“ Extremen umgehen müssen und hierbei die Werkzeuge der Probabilistik unter anderem zur Quantifizierung von Risiken brauchen.

Einwirkungen auf Bauwerke unterliegen räumlichen und zeitlichen Veränderungen. Dynamische Lasten verändern sich entsprechend der Bauwerksnutzung, Wasser-, Wind-, Schnee- und Temperaturlasten schwanken infolge von jahreszeitlichen und klimatischen Einflüssen, Verkehrslasten steigen tendenziell infolge des Personen- und Warentransports, und selbst Eigenlasten können sich wegen einer Degradation über die Jahre verändern. In vielen Bereichen dominieren die natürlichen Einwirkungen, die als Zufallsereignisse angesehen werden. Neben den hydraulischen Wirkungen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Windlasten oder Erdbeben zu nennen, für die obere Grenzwerte sowie die zu erwartende Häufigkeit hoher Belastungen nur schwer angegeben werden können. Insbesondere das Auftreten extremer Ereignisse und ihre Wirkung auf die Infrastruktur und den Menschen machen Versagensereignisse von Bauwerken im Wasserbau, wie beispielsweise das Versagen von Talsperren als Folge eines Erdbebens oder von Deichen im Fall von extremen Hochwasserereignissen mit langen Einstaudauern zu medialen Ereignissen und nehmen so Einfluss auf Politik und Gesellschaft. Auch ohne Extremereignisse fluktuieren die Belastungsgrößen an Fließgewässern infolge der Niederschlagsereignisse, schließlich ergeben sich in den Fließgewässern höhere Wasserstände nach einem Niederschlagsereignis. An der Küste ändern sich die Wasserstände zyklisch mit den Gezeiten. In Schleusen wechseln zwischen Füllung und Entleerung die Belastungszustände alternierend. In Regenwasserrückhaltebecken wechseln die Wasserstände ereignisabhängig. Dabei sind die exakte Größe und Dauer der Belastung für Extremereignisse nicht bekannt und somit ungewiss (bzw. unsicher). In der Natur gemessene Beobachtungen (Zeitreihen, Ergebnisse aus Feld- und Laborversuchen) können jedoch über stochastische Modelle beschrieben werden. Daraus lassen sich schließlich Verteilungen der Einwirkungen abstrahieren und für die Tragfähigkeit relevante Werte prognostizieren.

Die Einwirkungen, meist Zuflüsse oder Wasserstände, unterliegen den Folgen des Klimawandels, und die Größen selbst sowie deren natürliche Variabilität weisen zum Teil signifikante Trends auf. Die Einführung der Europäischen Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie im Jahr 2007 forcierte den Paradigmenwechsel von der bauwerksbezogenen Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsbeurteilung hin zur integrativen Risikobeurteilung im Wasserbau. Die Risikoermittlung erfordert jedoch die Verwendung probabilistischer Methoden, da die Versagenswahrscheinlichkeit des Bauwerks mit den Schadensfolgen in Verbindung gebracht werden muss. Also müssen wir die methodischen, materialtechnischen, konstruktiven und operativen inhärenten Sicherheitsreserven quantifizieren. Nur wenn wir die Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Einwirkungen und Widerständen eines Systems kennen, ist uns dessen Zuverlässigkeitsbeurteilung möglich. Die Frage, die wir also beantworten wollen, lautet demnach: Wie zuverlässig sind unsere Bauwerke?

Das vorliegende Merkblatt DWA-M 520 „Probabilistische Methoden im Wasserbau“ soll den Leserinnen und Lesern auf anschauliche Weise Grundlagen und Kompetenzen im Umgang mit probabilistischen Methoden vermitteln, um mehr Einblick in die Zuverlässigkeit ihrer wasserbaulichen und wasserwirtschaftlichen Anlagen zu gewinnen. Dabei werden zunächst grundlegende, themenbezogene Eigenschaften von Daten und Ungewissheiten vorgestellt und dann der logische Weg über semi-probabilistische hin zu probabilistischen Zuverlässigkeitsanalysen genommen. Abgesetzt davon werden subjektive Wahrscheinlichkeiten betrachtet, welche die Zuverlässigkeit von Systemen erörtern, und zur Abgrenzung der Methoden auch ein Ausblick auf den Umgang mit nicht-probabilistischen Ungewissheiten geworfen. Alle Abschnitte enthalten aus didaktischen Gründen zahlreiche kleine Rechenbeispiele, an denen die Methodenrelevanz für wasserbauliche und wasserwirtschaftliche Themen erkennbar und praktisch vertieft werden soll.

Das Merkblatt wurde von der DWA-Arbeitsgruppe WW-1.2 „Probabilistische Methoden im Wasserbau“ (Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stamm) im Auftrag des DWA-Hauptausschusses „Wasserbau und Wasserkraft“ im DWA-Fachausschuss WW-1 „Hydraulik“ erarbeitet und wendet sich an Anwender und Anwenderinnen in der Verwaltung, in den Wasserverbänden sowie in Ingenieurbüros, die sich im Kontext von Systemanalysen mit dem Umgang mit Ungewissheit (umgangssprachlich Unsicherheit) beschäftigen. Gleichermaßen richtet es sich auch an Entwickler und Entwicklerinnen, die ein Interesse daran haben, die methodische Weiterentwicklung im Fachgebiet in ihre Softwarelösungen zu integrieren.

Merkblatt DWA-M 520 „Probabilistische Methoden im Wasserbau“, November 2023, 115 Seiten, ISBN 978-3-96862-600-0, Ladenpreis: 146 Euro, fördernde DWA-Mitglieder: 116,80 Euro, Kombi E-Book & Print: 190 Euro; Kombi für fördernde DWA-Mitglieder: 152 Euro

Herausgeberin und Vertrieb

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