Dirk Proske

• Professor
• Professor at Bern University of Applied Sciences

The balance between safety and economy, referred to as target reliability, forms the basis of modern structural design. Target reliability is determined by economic minimisation, either directly through generic cost optimisation or by back calibration to existing practice. However, the currently codified annual target reliability indices for servic...

**Vorwort** In einer Zeit, in der Nachhaltigkeit und ökologische Verantwortung immer mehr an Bedeutung gewinnen, wird der Baustoff Holz zunehmend für mehrgeschossige Bauten bis hin zu Hochhäusern eingesetzt. Die damit verbundenen Anforderungen an das Konstruieren mit Holz rufen nach zusätzlichen Überlegungen hinsichtlich der Vorbeugung von Schäden...

In countries similar to Austria, bridges fail due to debris-flow impact on a regular basis. As there is a large uncertainty in terms of the acting forces during these events, this study examines debris-flow impact forces on bridge superstructures. We first set up an idealized load pattern for the load case of debris-flow impact on a bridge superstructu...

In diesem Beitrag werden die seismischen Schnittgrößen eines Verwaltungsgebäudes mit den Verfahren der Conditional Mean Spectra (CMS) und der Uniform Hazard Spectra (UHS) berechnet und verglichen. Das Gebäude wird in zwei Ausführungen untersucht: einmal als Stahlbetongebäude und einmal als Gebäude in Holz-Stahlbeton-Mischbauweise. Durch die Auswahl...

In den letzten Wochen und Monaten erfolgten in den Tagesmedien vermehrt Berichterstattungen über Brückeneinstürze. Diese betrafen sowohl Einstürze von Brücken im Bau als auch Einstürze durch außergewöhnliche Einwirkungen wie Hochwasser, Blitzfluten, Anpralle oder Brände oder unter Verkehrsbelastung. Diese gehäufte Berichterstattung legt die Frage n...

The peak pressure of a granular debris flow at low Froude conditions can be calculated with knowledge of the stress anisotropy and the bulk density as well as the run-up height at impact. Based on a small-scale physical model, measurements of stress anisotropy and flow density values at impact are presented and applied to existing run-up prediction...

Debris-flow impact plays a significant role in the failure of bridges in mountainous areas posing a risk to human life and leading to high reconstruction costs. The aim of this study is to measure and quantify the frontal impact forces of debris flows on bridge superstructures based on laboratory experiments with a special regard to the comparison...

Brückenbauwerke im alpinen Raum unterliegen verschiedenen Naturgefahren. Dazu zählen auch Muren. Murenereignisse führen nachweisbar auch zur Zerstörung von Brücken. Um Brücken für solche Einwirkungen zu bemessen, sind Angaben zur Anprallkraft von Muren notwendig. Für Murenanpralle gegen Pfeiler liegen umfangreiche, sowohl miniaturisierte als auch R...

Statistische Auswertungen von Brückeneinsturzdaten zeigen, dass Massivbrücken signifikant seltener einstürzen als Brücken aus Stahl oder Holz. Da weltweit die Hauptursache für Brückeneinstürze Hochwasser und damit verbundene fluviale Prozesse wie Auskolkung, Muren etc. und Anpralle sind, liegt die Vermutung nahe, dass die hohe Eigenlast der Massivb...

Die erforderliche Sicherheit von Bauwerken wird heutzutage über rechnerische Nachweise und qualitative Anforderungen, zum Beispiel an die Baustoffe und die Bauprozesse, erreicht. Sowohl die rechnerischen Nachweise als auch die qualitativen Anforderungen werden durch immer spezifischere wissenschaftliche Untersuchungen und durch politische Rahmenbed...

In this contribution observed median collapse frequencies and calculated median failure probabilities of retaining structures are compared. Such comparisons have already been carried out for bridges, dams, tunnels, buildings, stadiums, and wind turbines. The comparison is carried out as a meta-analysis using values from the literature. Furthermore,...

ImRisikoEinführung Kap. 2 werdenGefahrEinführungverschiedeneGefährdungEinführung Risiken und Gefährdungen in Form von Beispielen und Zahlenangaben vorgestellt. Dabei werden länger andauernde Prozesse und kurzfristige Ereignisse gemischt. Teilweise überschneiden sich die Zuordnungen.

SozialeRecht, gesundheitliche, natürliche und technische Risiken beeinflussen unser Leben, ohne dass wir, zumindest bei vielen dieser Risiken, eine freie Entscheidung über deren Akzeptanz besitzen. Es ist in industrialisierten Ländern nicht üblich, vor einer Brücke ein Schild mit der Angabe einer Versagenswahrscheinlichkeit anzubringen, um dem Nutz...

The Swiss Federal Railway (SBB) has an inventory of approx. 6,000 bridges. So far, condition classes of the individual bridges have been used for maintenance management. To improve the efficiency of the maintenance management, a long-term change from the condition class-based approach to a risk-based approach is considered. Such a risk-based approa...

In a previous study, the collapse frequencies and associated mortalities of buildings were compiled based on various publications. The investigation showed a considerable scattering of collapse frequencies depending on the countries. In this paper, the collapse frequencies determined for buildings are compared with the results of probabilistic calc...

Stadiums are a special type of buildings and structures. The construction of stadiums has a long history. The Colosseum in Rome is particularly famous, but many other cities, such as Delphi and Olympia, also had and still have historic stadiums. Stadiums have therefore been built for at least 2,500 years.

Bridge structures are an essential part of the infrastructure in almost all countries of the world. They ensure the functionality and thus the maintenance of modern human societies, which are characterised by high flows of information, energy and materials.

The first structures in the form of huts were probably erected at the beginning of the Neolithic period (Mann 1991). The first massive temple complex in Turkey was built more than 11,000 years ago (Mann 2011). Massive buildings are likely to have been erected regularly from around 9,000 years ago (Mann 1991) and to have formed the first settlements...

The subjects of this book are buildings and structures, collapses, collapse frequencies and failure probabilities. The four terms are briefly explained in this chapter.

Like bridges, tunnels, or dams, retaining structures belong to the infrastructure. Retaining structures were certainly used during or shortly after the introduction of stone buildings. For this reason, it is estimated here that the first retaining structures were built at least about 6000 years ago.

So far, the discussion has taken place for the types of structures bridges, dams, tunnels, retaining structures, buildings, stadiums and wind turbines. Other types of structures are tanks and towers. However, no systematic studies are available for these at the moment.

Human life in and with buildings is an integral part of the daily experience of almost all people on earth. People practically live in a built environment. Figure 1.1 shows an image of the city of Tokyo as an example of this. The presence and use of a technical product on this scale is unique and indicates overwhelming benefits for humanity.

Wind energy has been used purposefully by humans for almost 4,000 years. The focus was often on pumping water, but also on processing food or mechanical engineering. In the middle of the nineteenth century, there were probably 200,000 windmills in Europe (IG Windkraft). However, these were replaced by motors. Wind turbines have been built since the...

The same starting point applies to tunnels as to bridges with regard to the exponentially increasing volume of traffic. For this reason, numerous extraordinary tunnel construction projects have been planned and implemented in recent years, such as the Eurotunnel and the Gotthard Base Tunnel, or are still under construction, such as the Brenner Base...

Lebenszykluskostenanalysen sind ein Verfahren zur Priorisierung von Bauwerken und Maßnahmen im Rahmen des Erhaltungsmanagements von Infrastruktursystemen. Lebenszykluskostenanalysen berücksichtigen eine Vielzahl verschiedener Eingangsgrößen, die wiederum selbst auf unterschiedlichen Parametern basieren, denn oft liegen bei Infrastruktur‐ und Immobi...

Older bridges are often not adequately designed for earthquakes. To enable a structural verification, new methods such as conditional spectra and conditional mean spectra have been developed to estimate seismic hazards more accurately. To quantify the advantage of the latter method for regions with low and moderate seismic hazards, the seismic inte...

Bisher erfolgte die thematische Diskussion für die Bauwerkstypen Brücken, Dämme, Tunnel, Stützbauwerke und Hochbauten bzw. Gebäude. Weitere Bauwerkstypen wären Tanks und Türme, aber auch Stadien. Dafür liegen im Augenblick aber noch keine systematischen Untersuchungen vor. Interessant wäre an dieser Stelle ein Vergleich mit einem anderen technische...

Die ersten Bauwerke in der Form von Hütten dürften zu Beginn des Neolithikums errichtet worden sein. Die erste massive Tempelanlage in der Türkei wurde vor über 11.000 Jahren errichtet. Regelmäßig dürften Massivbauten seit ca. 9000 Jahr errichtet worden sein und relativ schnell die ersten Siedlungen gebildet haben.

Stützbauwerke zählen wie Brücken, Tunnel oder Dämme zur Klasse der Infrastrukturbauwerke. Stützbauwerke wurden sicherlich bereits während oder kurz nach Einführung massiver Bauwerke eingesetzt. Aus diesem Grund wird hier geschätzt, dass die ersten Stützbauwerke mindestens vor ca. 6000 Jahren errichtet wurden.

Brückenbauwerke stellen einen wesentlichen Bestandteil der Infrastruktur in nahezu allen Ländern der Erde dar. Sie gewährleisten die Funktionsfähigkeit und damit die Aufrechterhaltung moderner menschlicher Gesellschaften, die durch hohe Informations-, Energie- und Stoffflüsse gekennzeichnet sind.

Das menschliche Leben in und mit Bauwerken ist ein fester Bestandteil der täglichen Erfahrungswelt fast aller Menschen auf der Erde. Menschen leben praktisch in einer gebauten Umwelt. Abb. 1.1 zeigt als Beispiel dafür ein Bild der Stadt Tokio.

Gegenstand dieses Buches sind Bauwerke, Einstürze, Einsturzhäufigkeiten und Versagenswahrscheinlichkeiten. Die vier Begriffe werden in diesem Kapitel kurz erläutert.

Geht man davon aus, dass diese Thesen für die überwiegende Anzahl Bauwerke gültig sind, so bestätigen die hier durchgeführten Untersuchungen diese Thesen nicht, wobei die erste These auch die Schlussfolgerung erlaubt, dass die mechanischen Modelle alle ungenau sind, was in der Realität auch zutrifft.

Für die Tunnel gilt hinsichtlich des exponentiell steigenden Verkehrsaufkommens die gleiche Ausgangslage wie für die Brücken. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren zahlreiche außergewöhnliche Tunnelbauprojekte geplant und umgesetzt, wie z. B. der Eurotunnel und der Gotthard-Basistunnel, oder sind noch im Bau, wie der Brenner-Basistunnel.

Dämme bilden einen essenziellen Bestandteil der Infrastruktur in Entwicklungs- und Industrieländern. Sie können Teil des Fahrweges zur Erfüllung der erforderlichen Gradienten sein oder als Absperrbauwerk oder Stauanlage fungieren.

Die Erläuterungen und Hintergründe stammen zu wesentlichen Teilen aus Schillinger (2014) und Schollmayer (2018).

Bisher wurden der Einmassenschwinger und der Mehrmassenschwinger diskutiert. Kontinuierliche bzw. verteilte Massen, die bei Baukonstruktionen die Regel sind, wurden entweder in Massepunkten konzentriert oder vernachlässigt. Dabei wurde angenommen, dass die Massen an bestimmten, diskreten Punkten das dynamische Verhalten der Konstruktion dominieren.

Die Gefährdungsbestimmung, Bemessung und Ausführung von Bauwerken für Erdbeben ist thematisch von einem solchen Gewicht und einer solchen Bedeutung, dass eine detaillierte Behandlung in einem Buch über Baudynamik den Umfang sprengen würde. Diese Aussage gilt noch viel mehr für ein Buch „Baudynamik for Beginners“ und die damit verbundene einsemestri...

Immer wieder wird von Studenten der Baudynamik die Kritik vorgebracht, dass das Verständnis des Einmassenschwingers keine baupraktisch-relevante Fragestellung sei und dass die Behandlung dieses Themas daher einen mangelnden Praxisbezug darstelle. Ich verweise in den Vorlesungen gern auf die relevanten Normen, die die Anwendung eines äquivalenten bz...

Das Modell des Einmassenschwingers kann erfolgreich zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von komplizierten Bauwerken verwendet werden. Manchmal muss man aber mehrere Massen abbilden.

In diesem Kapitel werden die Lösungs- und Näherungsverfahren für dynamische Untersuchungen vorgestellt. Einige der Verfahren, wie z. B. die Laplace-Transformation als mathematisches Lösungswerkzeug für Differentialgleichungen wurden schon erläutert.

Zunächst einige allgemeine Überlegungen am Anfang: Alle Erscheinungsformen der uns bekannten Materie sind geprägt durch Veränderung. Wenn wir aus dem Fenster blicken, sehen wir Wolken, die in wenigen Minuten am Himmel vorüberziehen. Wenn wir nach vielen Jahren wieder in eine Stadt kommen, finden wir diese mit einem veränderten Gesicht vor, mit neue...

Wind ist ein Druckausgleich aus Regionen mit hohem Luftdruck zu Regionen mit niedrigem Luftdruck. Die Luftdruckunterschiede entstehen durch Sonneneinstrahlung und die Richtung aus der Orographie und der Rotation der Erde. Relevant für die dynamische Bemessung der Bauwerke sind in der Regel Stürme mit hohen Windgeschwindigkeiten.

Wie bereits im Kap. 1 besprochen, können dynamische Einwirkungen bezogen auf die Lebens- und Nutzungsdauer eines Bauwerkes entweder regelmässig oder nur sehr kurzzeitig, dafür aber mit einer sehr hohen Intensität, auftreten. Diese nur kurzzeitig auftretenden Einwirkungen, die meistens auch noch mit einer geringen Eintrittswahrscheinlichkeit verbund...

Bisher wurde in diesem Buch ein kleiner Einstieg in und Überblick über die Methoden und Berechnungsverfahren der Baudynamik gegeben. Solche Berechnungen sind aber oft eingebunden in übergreifende ganzheitliche dynamische Untersuchungen. Dies soll an einem Beispiel erläutert werden.

Eines der Hauptprobleme der Baudynamik neben der Ermüdung ist die Resonanz, dass heisst, die bei einem ungedämpften System theoretisch unendlich grossen Verformungen und damit unendlich grossen Kräfte bei der Übereinstimmung von Erreger- und Eigenfrequenz und bei einem gedämpften System die immerhin noch überproportional grossen Verformungen und Kr...

Die Kinematik ist eine Untergruppe der Mechanik. Im Gegensatz zum Hauptthema des Buches, der Dynamik, befasst sich die Kinematik nicht mit Kräften, Massen, Impulsen oder Energie, sondern kennt allein die physikalischen Grössen Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung.

In this article, the global health burden of structural collapse is determined. To this end, mean ratios of structures to inhabitants are determined and applied to the world population, subdivided into industrialized and developing countries. Based on known collapse frequencies of structures, mean annual worldwide collapse numbers of structures are...

The importance and application of risk-based maintenance planning is growing in many areas, such as oil production or infrastructure management. For example, there exist already risk-based maintenance concepts for bridges and tunnels. However, these risk-based concepts require criteria for the decision of necessary actions. Such criteria must be ri...

Der Beitrag befasst sich mit der Bestimmung der Einsturzhäufigkeiten von Hochbauten bzw. Gebäuden für verschiedene Länder und Regionen. Zunächst werden entweder direkte Angaben des Gebäudebestands verwendet oder Gebäudebestände über Ersatzparameter abgeschätzt. Die Einsturzereignisse wurden aus der Tagespresse oder aus der Literatur entnommen. Nebe...

Die Schweiz gilt nicht umsonst als ein innovatives Zentrum des weltweiten Brückenbaus. Dieser kleine Brückenführer Schweiz stellt knapp 20 berühmte und weniger berühmte, nichtsdestotrotz aber alles interessante Brückenkonstruktionen in der Schweiz vor. Der Brückenführer gibt damit einen schönen Überblick über Vielfalt der Brückenkonstruktionen in d...

This volume presents the proceedings of the 18th International Probabilistic Workshop (IPW), which was held in Guimarães, Portugal in May 2021. Probabilistic methods are currently of crucial importance for research and developments in the field of engineering, which face challenges presented by new materials and technologies and rapidly changing so...

In diesem Beitrag werden die seismischen Schnittgrößen von vier Schweizer Bestandsbrücken mit den Verfahren der Conditional Mean Spectra (CMS) und der Uniform Hazard Spectra (UHS) berechnet und verglichen. Bei den Brücken handelt es sich um zwei Stahlbeton- und zwei Stahlbrücken, von denen jeweils eine für den Straßen- und eine für den Eisenbahnver...

Verschiedene Bauwerkseinstürze, wie der bekannte Einsturz der Tacoma-Brücke 1940, sind auf die Vernachlässigung baudynamische Effekte zurückzuführen. Mit dem Trend zu immer filigraneren Bauwerken nimmt die Bedeutung baudynamischer Effekte weiter zu. Gleichzeitig müssen bestehende Bauwerke für aktuelle dynamische Einwirkungen, wie Erdbeben, ertüchti...

Der rechnerische Nachweis der Sicherheit von Bauwerken kann über die Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit oder unter Verwendung von Sicherheitselementen erfolgen. Beobachtete Schäden und Einstürze werden meistens im Rahmen von Gutachten bewertet, was auf Grund der großen Anzahl Unikate im Bauwesen sinnvoll erscheint. Allerding sollte es auch...

de In diesem Beitrag werden beobachtete Einsturzhäufigkeiten und berechnete Versagenswahrscheinlichkeiten von Stützbauwerken verglichen. Derartige Vergleiche liegen bisher nur für die Bauwerkstypen Brücken, Dämme und Tunnel vor. Der Vergleich basiert überwiegend auf Werten aus der Literatur. Diese wurden im Rahmen einer Literaturrecherche erfasst....

de Verschiedene empirische Untersuchungen zeigen, dass die reale Tragfähigkeit von Brücken unter Verkehrslasten im Durchschnitt signifikant höher ist als die berechnete Tragfähigkeit der Brücken. Eine Ursache dafür ist z. B. die Vereinfachung der Berechnungsmodelle. Zusätzliche Reserven stecken u. a. in der Mitwirkung von Brückenelementen, die in d...

de Im Rahmen der Risiko‐ und Lebenszykluskostenbewertungen von Brücken treten neben der Einsturzwahrscheinlichkeit auch Schadensfolgen als Eingangsgrößen auf. Eine der bedeutendsten Schadensfolgen von Brückeneinstürzen sind Todesopfer. Im Rahmen dieses Beitrags werden zunächst bekannte Verfahren vorgestellt, um die sich daraus ergebenden Schadensko...

Zusammenfassung Der Nutzen und Richtigkeit probabilistischer Sicherheitsanalysen von Kernkraftwerken werden immer wieder in Frage gestellt, insbesondere nach den Ereignissen von Fukushima. Der Autor hat daher bereits früher die Mittelwerte der berechneten und der beobachteten Kernschadenshäufigkeiten im Rahmen einer Metaanalyse verglichen. Um einen...

de Das Konzept der Minimierung von Lebenszykluskosten verwendet unter anderem den Parameter der Versagenswahrscheinlichkeit. Im Gegensatz zu allen anderen Parametern in diesem Konzept wird ein Zusammenhang zwischen Berechnung (Versagenswahrscheinlichkeit) und Beobachtung (Einsturzhäufigkeiten) in der Literatur häufig verneint. In diesem Beitrag wer...

In diesem Beitrag wird die globale Gesundheitsbelastung durch Bauwerksversagen bestimmt. Dazu werden mittlere Verhältnisse von Bauwerken zu Einwohnern ermittelt und auf die Gesamtbevölkerung, unterteilt in Industrieländer und Entwicklungsländer, angewendet. Basierend auf bekannten Einsturzhäufigkeiten von Bauwerken werden daraus mittlere jährliche...

Kurzfassung Die Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit von technischen Erzeugnissen im Allgemeinen und Bauwerken im Besonderen ist heute Stand der Wissenschaft und Technik. In diesem Beitrag werden berechnete Versagenswahrscheinlichkeiten von Kernkraftwerken, Brücken und Dämmen mit beobachteten Versagenshäufigkeiten verglichen. Im Anschluss dar...

In this paper, the collapse frequencies of bridges are summarised and compared with target values of probabilities of failure and with calculated failure probabilities for real bridges. The determination of the collapse frequencies is based on various publications in the sense of a meta-analysis. First, the various studies are summarised graphicall...

Risks can be categorized and ranked based on different characteristics. Such characteristics can be causes of damages or consequences or magnitudes of risks. Categorizations may improve the understanding of risks and, even more importantly, may help decision-makers to deal properly with risks in terms of risk-informed decisions. However, it has oft...

In this section a definition of the term “safety” based on freedom of resources is introduced. Such freedom of resources can also be used for the definition of the terms “danger” and “disaster”. Additionally, the terms “safety”, “danger” and “disaster” can be correlated to time horizons of planning. The introduced relationships will then be used fo...

Zusammenfassung Die von Sibly und Walker veröffentlichte Theorie sagt aus, dass alle 30 Jahre ein den Brückenbau maßgeblich beeinflussender Brückeneinsturz erfolgt. Nach Petroski gibt es dafür verschiedene Gründe. In diesem Beitrag wird geprüft, ob aktuelle statistische Auswertungen von Brückeneinstürzen und aktuelle technologische und demographisc...

Recently the author has compared observed collapse frequencies and computed failure probabilities of bridges. In contrast, in this paper the comparison of observed failure frequencies and the failure probabilities of large dams is carried out. In the paper the failure frequencies are estimated based on various publications related to the failure st...

In this book it was shown that the values of computed probabilities of failure of bridges and the observed frequencies of collapse of bridges are comparable by using correction factors for example for human failures and correlation values. Although two factors can easily be applied to fit one target parameter to another, major efforts have been und...

Bridges form a substantial part of the infrastructure systems in almost all countries worldwide. The global stock is estimated between five and six million bridges (see Chap. 6). Approximately one bridge per 500 inhabitants is counted in developed countries and about one bridge per 2000 inhabitants is counted in developing countries.

The systematic analysis of the background collapse data can provide detailed information about the specific type of bridge structures or bridge material contributing to the overall collapse data over-proportionally or under-proportionally. This conclusion would provide the way to further identify weaknesses in the design, construction and maintenan...

As mentioned in the Chap. 3, either the direct bridge collapse frequency numbers or the data used to determine the bridge collapse frequency within this book are taken from various publications and scientific works. Hence no new data is added, however the existing data is combined. The extended data pool allows more robust conclusions and perhaps s...

In this book mainly the technique of comparison is used in terms of a meta-analysis. Meta-analyses are common in other fields of science such as medicine, however they are rarely used in engineering sciences. Meta-analyses are usually applied if own samples are simply too expensive, too time-consuming or unavailable due to other restrictions such a...

To provide the reader a clear understanding, this chapter introduces definitions of the most important words and terms used in the book. The chapter does not include all terms since this would exceed the volume of the book.

Probably more than a billion structures exist on earth including several million bridges. The success of the technical product “structures” is not only based on the gained large improvement of the quality of life for humans including protection against environmental hazards and conditions and security, it is also strongly related to the outstanding...

The Fukushima event has again questioned the safety of nuclear power plants (NPP). Statisticians and parts of the public claim that there is a significant difference of the Core Damage Frequency (CDF) based on Probabilistic Safety Analysis (PSA) and on historical data of accidents including the Fukushima event. This paper compares the results of bo...

In this paper the collapse frequencies of bridges are estimated based on various publications related to different regions and different times. The various publications are considered in terms of a meta-analysis to provide a robust estimation of the collapse frequencies and to identify trends of the collapse frequencies. The values are then compare...

Debris flows are a mountain hazard and present a risk to bridges in mountainous areas. Designers of modern bridges are able to consider loads related to debris flows but the designs for historical arch bridges lack this possibility. Although historical arch bridges still form a substantial amount of the total number of bridges in mountainous areas,...