Cost-Benefit Based Maintenance Optimization for Deteriorating Structures

Higuchi, Shoko

In recent years increasingly consideration has been given to the lifetime extension of existing structures. This is based on the fact that a growing percentage of civil infrastructure as well as buildings is threatened by obsolescence and that due to simple monetary reasons this can no longer be countered by simply re-building everything anew. Hence maintenance interventions are required which allow partial or complete structural rehabilitation. However, maintenance interventions have to be economically reasonable, that is, maintenance expenditures have to be outweighed by expected future benefits. Is this not the case, then indeed the structure is obsolete - at least in its current functional, economic, technical, or social configuration - and innovative alternatives have to be evaluated. An optimization formulation for planning maintenance interventions based on cost-benefit criteria is proposed herein. The underlying formulation is as follows: (a) between maintenance interventions structural deterioration is described as a random process; (b) maintenance interventions can take place anytime throughout lifetime and comprise the rehabilitation of all deterioration states above a certain minimum level; and (c) maintenance interventions are optimized by taking into account all expected life-cycle costs (construction, failure, inspection and state-dependent repair costs) as well as state- or time-dependent benefit rates. The optimization is performed by an evolutionary algorithm. The proposed approach also allows to determine optimal lifetimes and acceptable failure rates. Numerical examples demonstrate the importance of defining benefit rates explicitly. It is shown, that the optimal solution to maintenance interventions requires to take action before reaching the acceptable failure rate or the zero expected net benefit rate level. Deferring decisions with respect to maintenance not only results, in general, in higher losses, but also results in overly hazardous structures.

Die Verlängerung der Nutzungsdauer bestehender Tragwerke hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass ein nicht unerheblicher Anteil der Infrastruktur wie auch an Gebäuden durch Überalterung bedroht ist, und dass es aus rein wirtschaftlichen Gründen nicht länger möglich ist diesen Zustand durch Neubau zu entgegnen. Es sind also Instandhaltungsstrategien notwendig, die eine teilweise oder vollständige Revitalisierung von Tragwerken erlauben. Allerdings müssen diese Instandhaltungsstrategien auch einen volkswirtschaftlichen Sinn haben, das heißt die entsprechenden Aufwendungen müssen durch einen zukünftig zu erwartenden Nutzen aufgewogen werden. Ist dies nicht der Fall, so sind die Tragwerke in der Tat veraltet - zumindest in ihrer momentanen funktionellen, wirtschaftlichen, technischen oder gesellschaftlichen Bedeutung - und Alternativvorschläge müssen untersucht werden. In dieser Arbeit wird die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen als Optimierungsaufgabe unter Verwendung von Kosten-Nutzen-Kriterien formuliert. Die zugrunde liegende Beschreibung ist wie folgt: (a) die Abnahme der Tragfähigkeit zwischen den Instandhaltungsmaßnahmen wird als Zufallsprozess beschrieben; (b) die Instandhaltungsmaßnahmen können jederzeit während der Nutzungsdauer stattfinden und bestehen in der Reparatur von Schadenszuständen eines gewissen Niveaus; (c) die Instandhaltungsmaßnahmen werden hinsichtlich aller Lebensdauerkosten (Errichtungs-, Versagens-, Inspektions- und schadensabhängiger Reparaturkosten) sowie des zustands- und zeitabhängigen Nutzens optimiert. Die Optimierung erfolgt mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus. Die vorgeschlagene Formulierung erlaubt darüber hinaus auch die Bestimmung von optimalen Nutzungsdauern und zulässigen Versagensraten. Die Rechenbeispiele weisen die Bedeutung einer expliziten Ausweisung des Nutzens aus. Es wird gezeigt, dass eine optimale Strategie für Instandhaltungsmaßnahmen ein aktiv werden vor Erreichen zulässiger Versagensraten oder dem Verschwinden des Nettonutzens je Zeiteinheit erfordert. Das Aufschieben von Entscheidungen bezüglich der Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen zieht in der Regel nicht nur höhere Folgekosten nach sich, sondern resultiert auch in Tragwerke mit unzulässig hohem Gefährdungspotential.

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Higuchi, S., 2008. Cost-Benefit Based Maintenance Optimization for Deteriorating Structures. https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.1288
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