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Eidgenössisches Departement fürUmwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK
Bundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
KUBA 4.0
Dr. R. Hajdin
IMC GmbH
Fachapplikation Kunstbauten und Tunnel KUBA 4 und KUBA 5Infotagung, 4.11.2009, Bern
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Inhalt
1. Einführung
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
3. Neue Daten• Substanzdaten• Inspektionsdaten• Daten zu Erhaltungsmassnahmen
4. Methodik
5. Schlussbemerkungen
2
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Wozu KUBA 4.0?
• Unterstützung v.a. für die Unterhaltsplanung aber auch für die Erhaltungsplanung• Finanzbedarf• Arbeitsprogramm• Zustandsentwicklung
• Neue Daten• Zustandsdaten• Kosten
3
1. Einführung
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Geschichtlicher Rückblick
• 1/1992 – Literatur und Machbarkeitsstudie• 1/1994 – Projektdefinition• 1/1995 – Grobkonzept• 8/2002 – IT-Konzept• 6/2005 - Realisierungsbeginn
4
1. Einführung
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I452-1538
Installierte Releases beim ASTRA
• 30.10.2007 Produktive Installation • 02.2008 Hotfix 4.0.42.62• 05.2008 Hotfix 4.0.42.63• 06.2008 Rel 4.1.0.1• 10.2008 Rel 4.1.0.2• 06.2009 Rel 4.1.0.3
5
1. Einführung
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I452-1538
Unterhalt als Prozess
6
A0
Überwachung - Brücke 1
A0
Überwachung - Brücke 2
A0
Überwachung - Brücke ...
A1
Unterhaltsplanung
A4
Budgetgenehmigung
A2
Projektierung - Brücke 1
A2
Projektierung - Brücke 2
A3
Ausführung - Brücke 1
A5
Überwachungs-planung
Antragabgelehnte
Antrag
Antrag
bewiligterAntrag
Keine Massnahmen
A6
Schlussprüfung
keine Masnahme erforderlich
Arbeitsprogramm
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
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Ergebnisse
• Arbeitsprogramm - Vorschläge der Unterhaltsprojekte für eine Zeitperiode
• Mittelfristiges Arbeitsprogramm - Liste der optimalen Unterhaltsprojekte für 10 bis 15 Jahre
• Langfristiger Finanzbedarf• Was heisst optimal?
7
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
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Ergebnisse (Fort.)
• Wirtschaftlich optimal - optimale Verwendung der finanziellen Mittel
• Arbeitsprogramme sollen nur optimale Unterhaltsprojekte enthalten• In Bezug auf Zeit der Ausführung• in Bezug auf deren Art und Umfang (=Betreiberkosten)• in Bezug auf Verkehrsbehinderung (=Benutzerkosten)
8
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
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Unterhaltsplanung
9
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
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I452-1538
Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte
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UnterhaltsprojektBauwerkszustand
Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen
Zustand der Bauwerksteile
2. Erhaltungsplanung mit KUBA-MS
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Neu gegenüber 3.1 – KUB-DB
• Substanz• Ausmasse
• Bauwerksinspektion (Zustandserfassung)• Schadensprozesse• Schadenausmasse
• Erhaltungsmassnahmen• Kosten
11
3. Neue Daten
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Bauwerksteilausmass
12
3. Neue Daten
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13
Ltot: Länge der Platte:
Ausmass der unteren Fahrbahnplatte [m2]: A u = (2⋅a + b + 2⋅c) ⋅ Ltot
Ausmass der oberen Fahrbahnplatte [m2]: A o = B ⋅ Ltot
Bauwerksteilausmass
• Platte (2343, 2351, 2352, 2355, 2936)
13
3. Neue Daten
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14
Ausmass des Widerlagers ohne Kontrollgang [m2]: A = B h⋅Ausmass des Widerlagers mit Kontrollgang [m2]: A = 2 ⋅ B h⋅Ausmass der Lagerbank [m2] A = b ⋅ L
Bauwerksteilausmass
• Widerlager (21, 2101, 2102, 2111, 2112, 2114, 2324)
14
3. Neue Daten
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Länge des Bogens [m]: LAusmass des Gewölbes [m2]: A = b L⋅Ausmass des Bogens [m2]: A = U L⋅Eine als Stütze ausgeprägte Mauer
Bauwerksteilausmass
• Bogen, Gewölbe (2321, 2924)
15
3. Neue Daten
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16
Fahrbahnplattenlänge [m]: Ltot Länge eines Fahrbahnübergangs (von Aussenkante Randbord bis zur Aussenkante Randbord [m]): B Anzahl Fahrbahnübergänge auf der Brücke: nAusmass der Fahrbahnübergänge der Brücke [m]: LFA = B n⋅
Bauwerksteilausmass
• Fahrbahnübergang (27)
16
3. Neue Daten
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Zustandserfassung
• Bauwerkteil ist Beurteilungseinheit• Durch Inspektionen werden erfasst:
• Schadenschwere• Schadenausmass• Schadenprozess
17
3. Neue Daten
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Zustandserfassung
18
3. Neue Daten
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I452-1538
19 1 2
7
3 4
6 8
5
Schadensprozesse
• Korrosion im Stahlbeton (und Spannbeton)
• Frostschäden am Beton
• Wasserinfiltration
• Korrosion am Baustahl
• Schäden am Mauerwerk
• Schäden an Fahrbahnübergängen
• Schäden am Lager
• Schäden an Belag und Abdichtung
19
3. Neue Daten
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20 Voraussetzung Gegenbeispiele
Der Schadensprozess muss kontinuierlich und voraussagbar sein. Er muss auch die Zustandsklassen durchlaufen, welche durch typische Schadensbilder charakterisiert werden.
Unterspülung
Es ist möglich mit relativ geringem Aufwand die durch ihn verursachten Schäden zu entdecken und zu inspizieren
Ermüdung
Die Massnahmen müssen einer eindeutigen dem Schadenprozess zugeordneten Zustandsklasse zugewiesen werden können
Ermüdung
Die Verhältnismässigkeit zwischen Ausmass des Schadens und Umfang der Massnahme muss vorhanden sein
Bodensenkung
Schadensprozesse
20
3. Neue Daten
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Zustands-klasse
Beschreibung
1: gut (keine/geringfügige Schäden)
Keine nennenswerten Schäden; nur feine Oberflächenrisse; keine Spuren von Korrosion.
2: annehmbar (unbedeutende Schäden)
Sichtbare Korrosionsspuren (Rostflecken) und/oder lokale Abplatzungen; feine Risse infolge von Korrosion an Bewehrungsstäben und/oder Nassstellen; geringfügige mechanische Schäden
3: schadhaft (bedeutende Schäden)
Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben, Korrosionsabtrag unbedeutend, im Mittel weniger als 10 % der freiliegenden Bewehrungsstäbe; Risse und/oder Nassstellen
4: schlecht (grosse Schäden)
Abplatzungen mit freiliegenden Bewehrungsstäben, Korrosionsabtrag bedeutend, im Mittel mehr als 10 % der freiliegenden Bewehrungsstäbe und/oder Lochfrass; Risse und/oder Nassstellen.
5: alarmierend (dringliche Massnahme)
Die Sicherheit ist gefährdet; Massnahmen sind vor der nächsten Hauptinspektion erforderlich; dringliche Massnahme.
CE2
CE3
CE4
CE5
Schadensschwere
3. Neue Daten
CE2
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Schäden und Schadenausmass
SchadenausmassZK 3
Schadenausmass ZK1
Fakten
Interpretation
3. Neue Daten
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Schlussprüfung
Erste Inspektion
Segment 1
Schadenausmass ZK 1
Schadenausmass ZK 3
Segment 2Segment 1
Schadenausmass ZK 1
Schadenausmass / Segmentierung• Das Ziel der Segmentierung ist
die Teile eines Bauwerksteils, bei welchen gleicher Verfall vermutet wird, zu identifizieren
• Die Segmente sind dynamisch, aber• die Segmentausmasse
können nur durch die Umverteilung der Ausmasse in Zustandsklasse 1 verändert werden
• die Veränderung der Schadenausmasse einer anderen Zustandsklasse ist nur bei der jüngsten Inspektion erlaubt
23
3. Neue Daten
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24
Schadenausmass / Segmentierung• Pro Segment:
• Schäden welche zum gleichen Schadensprozesstyp und Einfluss gehören (und am gleichen Bauwerksteil wirken) werden zu einer Schadensgruppe zusammengefasst und als solche erfasst (z. B. Korrosion im Stahlbeton mit negativen Einfluss).
• Der Zustand des Schadenausmasses wird erfasst (z. B. Zustandsklasse 3).
• Das Ausmass der Schadensgruppe wird erfasst (z. B. 0.8 x 0.5 + 0.2 x 0.5 = 0.5 [m2]).
24
3. Neue Daten
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25
Schadenausmass / Segmentierung• Pro Segment:
• Ausgeführte Erhaltungsmassnahmen zur Behebung der Schadensgruppe werden ggf. erfasst.
• Der erfassten Schadensgruppe können erfasste Schäden zugeordnet werden und dadurch mit der Schadensgruppe zusammengefasst werden (z. B. Betonüberdeckung unter 15 mm, angerostete Bewehrung und Abplatzungen oder lose Stellen).
• Der erfassten Schadensgruppe können Fotos zugeordnet werden.
25
3. Neue Daten
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Kosten - Was wird erfasst?
• Kosten der Unterhaltsmassnahme an Bauwerksteilen• Kosten der nicht berücksichtigten Bauwerksteile• Zusatzkosten
• Installationskosten• Verkehrsführungskosten• Honorare für Projektierung und Bauleitung• Honorare für Überprüfung
26
3. Neue Daten
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Erfassung von Erhaltungskosten
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3. Neue Daten
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I452-1538
3. Neue Daten
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Bauwerkszustand und Unterhaltsprojekte
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UnterhaltsprojektBauwerkszustand
Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen
Zustand der Bauwerksteile
4. Methodik
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I452-1538
Zustandsklasse und Massnahmen
30
ZK 1
StahlbetonstützeStahlbetonstützeSegment einer
StahlbetonstützeLokale
Instandsetzung
Vollflächige Instandsetzung
Ersatz
Fr./m2
ZK 2
ZK 3
ZK 4
ZK 5
Stahlbeton-Korrosion
Korrosion vom Stahlbeton
4. Methodik
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4. Methodik
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4. Methodik
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Zustandsprognose
33
• Die Entwicklung der Schadenschwere mit der Zeit wird mit einer Verfallsfunktion beschrieben.
• Hierfür werden in KUBA-MS Markov-Ketten eingesetzt.
• Die Zustandsentwicklung wird als eine probabilistische Funktion modelliert
4. Methodik
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34
Probabilistische Zustandsentwicklung (Forts.)
1 5432
p 11 p 22 p 33 p 44 p 55
p 13
p 12 p 23 p 34 p 45
p 35
p 24
p 14
p 15
p 25
4. Methodik
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I452-1538
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Zeit (Jahren)
Pro
zent
ante
ile d
er
Ufe
rba
uwer
kszu
stan
dkl
asse
n
ZK5ZK4ZK3ZK2ZK1
35
ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5
Heute 100% 0% 0% 0% 0%
Nach Periode 1 87% 13% 0% 0% 0%
Nach Periode 2 73% 23% 4% 0% 0%
Periode t
Periode t + 1
ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5
ZK1 0.87 0.13 0 0 0
ZK2 0 0.70 0.30 0 0
ZK3 0 0 0.82 0.18 0
ZK4 0 0 0 0.80 0.20
ZK5 0 0 0 0 1
Markov-Ketten
35
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
P34=
20%
Schadenausmass ZK 3 = 16 m2
Schadenausmass ZK 1 = 80 m2
Schadenausmass ZK 4 = 4 m2
Schadenausmass ZK 3 = 20 m2
Schadenausmass ZK1 = 80 m2
36
80% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 3 = 20 m2
20% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 4 = 20 m2
Schadenausmass ZK 1 = 80 m2
Bedeutung der Koeffizienten• Sie sind in der Regel nicht als
prozentuale Anteile zu verstehen, nach denen ein Schadenausmass nach einer Periode aufgeteilt wird.
• Sie sind in der Regel die Wahrscheinlichkeiten mit welcher sich ein Schadenausmasses in einer Zustandsklasse befinden wird.
36
4. Methodik
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I452-1538
37
Bedeutung der Koeffizienten• Ausnahme:
Sie werden jedoch als prozentuale Anteile aufgefasst nach welchen ein Schadenausmass in Zustandsklasse 1 nach einer Periode aufgeteilt wird für alle Bauwerksteile ausser für Lager und Gelenke.
37
Schadenausmass ZK 3 = 20 m2
Schadenfreies Ausmass ZK1 = 80 m2
80% Wahrscheinlichkeit Schadenausmass ZK 3 = 20 m220% Wahrscheinlichkeit Schandeausmass ZK 4 = 20 m2
Schadenfreies Ausmass ZK1 = 72 m2
Schadenausmass ZK 2 = 8 m2
P12=
10%
Die Schäden werden generiert
4. Methodik
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I452-1538
Optimierungsprinzip
38
Zeit
Zu
stan
dsk
lass
e
1
Erh
altu
ng
s-ko
sten
t
Technische Kriterien nicht mehr erfüllt
Realiserungswahrscheinlichkeit
ZK1
ZK2
ZK3
ZK4
ZK5
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Optimierungsprinzip
Zeit
Zu
stan
dsk
lass
e
1
Erh
altu
ng
s-ko
sten
t
Technische Kriterien nicht mehr erfüllt
Realiserungswahrscheinlichkeit
ZK1
ZK2
ZK3
ZK4
ZK5
39
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Optimierung auf Netzebene
• Der Mittelwert der Betreiberkosten aller Realisierungen wird gesucht
• Der kleinste Mittelwert definiert die optimale Unterhaltsstrategie
40
4. Methodik
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I452-1538
41
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Planung auf Netzebene
• Simulation• Multiplizieren die Einheitskosten der optimalen
Unterhaltsmassnahmen mit den Ausmassen in den jeweiligen Zustandsklassen
42
1
2
1 2 3 4 5 3
4
5
i
c
c
f s s s s s c
c
c
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Finanzbedarf
0.0
2000000.0
4000000.0
6000000.0C
HF
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
2055
2060
2065
2070
2075
2080
2085
2090
2095
2100
2105
2110
J ahr
MinimalOptimal
43
4. Methodik
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Mittlerer Bauwerkszustand
• Simulation• Gewichten die Ausmasse mit dem Ersatzeinheitskosten
44
ie
Bauwerksteiltypenim i
eBauwerksteiltypen
S Z cs
S c
1
2
3
4
5
Z
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Mittlerer Bauwerkszustand
ZK1
ZK2
ZK3
ZK4
ZK5
Zus
tand
skla
sse
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
2055
2060
2065
2070
2075
2080
2085
2090
2095
2100
2105
2110
J ahr
MinimalOptimal
45
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Verfall
Planungsperiode 1 Planungsperiode 2Vergangenheit
Projektierung undAusführung
Segment 1
Segment 2
Segment 3
I
I
I P
P
P
Verfall
Verfall
Verfall
P
P
P
46
4. Methodik
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I452-1538
Schadenausmass
ZK 3 = 10 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 8 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 12 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 20 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
P3
4=
20
%
Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2
80% ZK 3 = 10 m2
20% ZK 4 = 10 m2
80% ZK 3 = 20 m2
20% ZK 4 = 20 m280% ZK 3 = 12 m2
20% ZK 4 = 12 m2
80% ZK 3 = 8 m2
20% ZK 4 = 8 m2
Schadenausmass in ZK 4 = 10 m2
4. Methodik
47
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Schadenausmass
ZK 3 = 10 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 8 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 12 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
Schadenausmass
ZK 3 = 20 m2
Schadenfreies
Ausmass
ZK1 = 80 m2
P3
4=
20% Schadenausmass in ZK 3 = 50 m2
100% ZK 4 = 10 m2100% ZK 3 = 20 m2 100% ZK 3 = 12 m2 100% ZK 3 = 8 m2
Sortieren nach Verfallsindikator
Schadenausmass in ZK 4 = 10 m2
4. Methodik
48
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Unterhaltsprojekte
• Optimale (oder minimale) Unterhaltsmassnahmen an Bauwerksteilen in Unterhaltsprojekte zusammenfassen
• Die Kosten aufgrund der Einheitskosten berechnen• Installationskosten, Projektierungskosten hinzufügen• Benutzerkosten berechnen
49
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
I452-1538
Optimierung auf Bauwerksebene
• Für jedes Bauwerk werden 3 Unterhaltsprojekte untersucht:• Optimales Unterhaltsprojekt• Nichtstun• Ersatz
• Dazu kommen manuell eingegebene Umgestaltungsprojekte, weitere Unterhaltsprojekte usw.
• Budgeteinschränkungen
50
4. Methodik
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I452-1538
Inkrementelle Kosten/Nutzen Analyse
51
10
20
10 20Kosten
Nutzen
Maximaler Nettonutzen
A
E (streichen)
C
F
BD
1
1
4. Methodik
KUBA 4 und KUBA 5, Infotagung, 4.11.2009, BernBundesamt für Strassen ASTRA
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Schlussbemerkungen zu KUBA-MS
• Der Nutzen der Erhaltungsplanung hängt sehr stark von Eingangsdaten ab, d. h.• Übergangskoeffizienten• Wirksamkeitsvektoren• Einheitskosten
• Die Qualität der erfassten Daten ist von ganz grosser Bedeutung
• Junk-in, junk-out
52
5. Schlussbemerkungen
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