Die Herausforderung liegt nicht nur im Erkennen von Schäden, sondern in der gezielten Planung wirtschaftlich sinnvoller Sanierungsmaßnahmen. Dabei spielt die Wahl des richtigen Verfahrens – Reparatur, Renovierung oder Erneuerung – eine Schlüsselrolle. Hinzu kommt die Frage nach dem baulichen Abnutzungsgrad, der sich ausdrückt in der sogenannten Substanzklasse. Während die Zustandsklassifizierung primär auf die Priorität der Schadensbeseitigung blickt, zeigt die Substanzklassifizierung, ob Reparaturen sich langfristig lohnen oder ob investive Maßnahmen wirtschaftlich sinnvoller sind.

Zielsetzung und methodischer Ansatz

Im Rahmen einer Masterarbeit wurde ein automatisiertes Verfahren zur Ermittlung des Sanierungsbedarfs in Kanalnetzen entwickelt. Die Untersuchung wurde anhand der Kanalnetzdaten einer mittelgroßen westfälischen Kreisstadt durchgeführt. Die Länge des Kanalnetzes beträgt 214 km, was einer Haltungsanzahl von 6.000 Stück entspricht. Für die Untersuchung wurden nur nach EU-Norm [1] untersuchte Haltungen herangezogen, daher waren von den 6.000 Haltungen nur 2.744 verwertbar. Kernstück ist die Entwicklung eines softwarebasierten Entscheidungsunterstützungssystem zur substanzbezogenen Auswahl des geeigneten Sanierungshauptverfahrens. Dabei wird neben der Zustandsbewertung auch die bauliche Substanz in die Analyse einbezogen. Sie gibt an, welcher Abnutzungsvorrat für die abwassertechnische Anlage noch vorhanden ist. Auf dieser Grundlage wird jede Haltung in einer Skala von 0 (stark abgenutzt) bis 5 (keine bzw. vernachlässigbare Abnutzung) eingeordnet, was als Substanzklasse definiert ist.

In der Praxis wird häufig der dynamische Kostenvergleich [2] als Entscheidungskriterium für das Hauptsanierungsverfahren eingesetzt. In dieser Arbeit wird dessen Genauigkeit und Sensitivität in Vergleich zu dem substanzbezogenen Ansatz hinsichtlich der Eignung kritisch hinterfragt.

Die Vorgehensweise basiert auf folgenden Schritten:

Grundlage der Substanzberechnung bei der Vorgehensweise nach SubKanS

Im Rahmen der Zustandsklassifizierung gemäß DWA-M 149-3 [4] wird die Sanierungspriorität auf Basis des jeweils gravierendsten Einzelschadens bestimmt. Der Fokus liegt dabei auf der Beurteilung der gegenwärtigen Funktionserfüllung, Aussagen über die Gesamtqualität der Bausubstanz sind dabei nicht ableitbar. Aus diesem Grund ergibt sich der Bedarf nach einem einheitlichen Verfahren zur baulichen Substanzklassifizierung.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens SubKanS [5] wurde ein Standard zur Bewertung und Klassifizierung der baulichen Substanz von Abwasserkanälen entwickelt.

Die vorrangige Zielstellung des SubKanS-Modells ist die Entwicklung eines einheitlichen und praxisrelevanten Verfahrens zur Beschreibung und Klassifizierung der baulichen Substanz als Grundlage für die Ermittlung des vorhandenen Abnutzungsvorrat sowie ergänzend die Ableitung einer Zuordnung von Sanierungshauptverfahren (Erneuerung, Renovierung oder Reparatur). Dieser Ansatz bewertet die bauliche Abnutzung von Abwasserkanälen auf Basis der Schadensprotokolle. Jeder Einzelschaden wird nach den Schutzzielen Dichtheit, Standsicherheit und Betriebssicherheit klassifiziert. Schäden werden nach Schadensart in Punkt-, Umfang- und Streckenschäden sowie in drei Ausprägungen (durchdringend, oberflächlich, ohne baulichen Bezug) eingeteilt. Daraus lässt sich das Schadensgewicht berechnen. Das Schadensgewicht gibt Aufschluss über die Schwere und das Ausmaß von Schäden innerhalb einer Haltung und lässt sich durch drei Parameter berechnen: Schadenslänge, Klassengewicht und Startgewicht. Das Klassengewicht nimmt Werte zwischen 0 (entsprechend Schadensklasse 5) und 1 (entsprechend Schadensklasse 0) an und beschreibt die relative Gewichtung eines Schadens in Abhängigkeit von der zugeordnete Schadensklasse. Das Startgewicht stellt eine relative Gewichtung des Schadens dar, basierend auf Schadensart und -ausprägung.

Das Schadensgewicht wird für alle Schäden berechnet. Aus der Summe der einzelnen Schadensgewichte wird die zugrunde liegende absolute Bruttoschadenslänge (BSL_abs) ermittelt, um durch folgende Gleichung die Abnutzung (ABN_rel) zu berechnen.

Die Substanz (SUB) korrespondiert mit der Abnutzung und wird als Differenz zum schadenfreien Zustand berechnet:
SUB = 100% - ABN [5]

Anschließend wird die Substanzklasse mit Hilfe von Tabelle 1 bestimmt.

Tab. 1: Substanzklassen gem. SubKanS Modelle [5]

Abbildung 1 verdeutlicht den Unterschied zwischen Zustandsklasse und Substanzklasse. Eine Haltung mit hoher Sanierungspriorität (z. B. Priorität 1a) kann dennoch eine gute Bausubstanz aufweisen. In solchen Fällen lässt sich der Sollzustand durch eine kostengünstige Reparaturmaßnahme effizient wiederherstellen. Im Gegensatz dazu kann eine Haltung mit mittlerer Sanierungspriorität aufgrund zahlreicher Einzelschäden und hoher Schadensdichte eine erhebliche Abnutzung aufweisen. Hier sind investive Sanierungsverfahren erforderlich, um den Sollzustand nachhaltig zu wiederherzustellen.

Programmtechnische Umsetzung

Zuordnung von Sanierungsmaßnahmen zu Schadenkodierungen

Nach der Datenvorverarbeitung und Plausibilitätsprüfung wurden für jeden Einzelschaden passende Sanierungsmaßnahmen basierend auf Schadenskodierung, Charakterisierung und ingenieurtechnischer Erfahrung ausgewählt. Je nach Schadenstyp (punktuell oder streckengebunden) wurden unterschiedliche Maßnahmen definiert. Schwere Schäden wie Rissbildung mit stärkeren Rohrverformungen führen zu offener Bauweise. Komplexere Fälle ohne eindeutige Lösung erfordern individuelle Entscheidungen. Zur automatisierten Umsetzung im System wurden sämtliche Maßnahmen abschließend in drei Funktionen integriert, die den Sanierungshauptverfahren Reparatur, Renovierung und Erneuerung zugeordnet sind.

Eliminierung überlagernder Schäden

Ein zentrales Problem bei der algorithmischen Umsetzung ist die Überlagerung verschiedener Schadensarten, etwa von Punkt- und Streckenschäden. Um redundante Maßnahmen zu vermeiden, wurde eine Matrix aus allen Schadenskodes erzeugt und für die jeweilige Kombination der Schäden eine Sanierungsmaßnahme vorgeschlagen. Deswegen legt die Schadenskombinationsmatrix fest, welche Maßnahme bei Überlagerungen Priorität hat. Sanierungen in offener Bauweise haben dabei Vorrang und überlappende Sanierungsmaßnahmen (z. B. Kurzliner) werden entfernt oder angepasst, um Doppelbelegungen zu verhindern. Abbildung 2 zeigt drei Teilbilder. Bild A veranschaulicht einen Haltungsschnitt mit drei festgestellten Schäden: einem Rohrbruch (BAC), einer verschobenen Verbindung (BAJ) sowie sichtbarem Boden (BAO) entlang einer Rissbildung im Längsschnitt (BAB). Bild B stellt die zunächst vorgeschlagenen Sanierungsmaßnahmen vor der Eliminierung doppelter Maßnahmen dar. Hierbei wurde für den Schaden BAB ein Kurzliner vorgesehen, während für die Schäden BAC und BAJ eine Sanierung in offener Bauweise empfohlen wurde. BAO tritt nur in Verbindung mit anderen Schäden als Sekundärschaden auf und benötigt keine separate Sanierung. Da die Bereiche, die ausgetauscht werden sollen, keinen Kurzliner erfordern, muss die entsprechende Länge aus der Sanierungslänge des Kurzliners herausgeschnitten werden. Bild C stellt die vorgeschlagenen Sanierungsmaßnahmen nach der Eliminierung der überlappende Sanierungsstrecken im Rahmen einer Reparatur der Haltung dar.

Abbruchkriterien

Wahl des Sanierungshauptverfahrens

Um eine technisch fundierte Auswahl von Sanierungsmaßnahmen zu ermöglichen, muss die Abnutzungsgrenze projektspezifisch festgelegt werden. Dies erfolgt durch eine ingenieurmäßige Begutachtung einer repräsentativen Auswahl verschiedener Haltungen mit unterschiedlichen Schadens- und Zustandsklassen. Das Modell – insbesondere die Abnutzungsgrenze und die Abbruchkriterien – wurde so angepasst, dass eine möglichst hohe Übereinstimmung zwischen den automatisch ermittelten Sanierungsvorschlägen und der ingenieurtechnischen Planung erreicht werden konnte.

Die Abnutzungsgrenze definiert den Punkt, ab dem eine Maßnahme von einer Reparatur zu einer investiven Sanierung wechselt. Der Wert wurde so gewählt, dass er den Ergebnissen der ingenieurtechnischen Planung, die als Referenz („Wahrheit“) gilt, am nächsten kommt.

Da die Festlegung dieser Grenze stark von der Vorgehensweise des jeweiligen Betreibers abhängt, ist sie benutzerdefiniert einstellbar. Die Abnutzungsgrenze des Modells wurde in dieser Arbeit durch eine detaillierte ingenieurtechnische Analyse einer Auswahl repräsentativer Haltungen kalibriert. Die ermittelten Werte liegen im Bereich von 25 % bis 35 % für Nennweiten ≤ 1000 mm sowie 40 % bis 50 % für größere Nennweiten. Grundsätzlich kann der Betreiber eine beliebige Abnutzungsgrenze festlegen; diese kann sich jedoch bei anderen Datensätzen unter anderen Rahmenbedingungen verändern.

Ergebnisse und Gegenüberstellung mit dem dynamischen Kostenvergleich

Die entwickelte Methodik wurde an realen Kanalabschnitten erprobt und mit ingenieurtechnischen Sanierungsvorschlägen verglichen. Durch iterative Anpassungen der Abnutzungsgrenze konnte die automatisierte Bewertung eine Übereinstimmung von 83 % mit den ingenieurtechnischen Empfehlungen erreichen. Unter idealen Rahmenbedingungen ist eine Übereinstimmung von bis zu 95 % möglich.

Die festgestellten Abweichungen zwischen automatisierter Bewertung und ingenieurmäßiger Sanierungsplanung sind nicht auf Mängel der Methodik zurückzuführen, sondern auf die subjektive Komponente technischer Entscheidungen. Ingenieure berücksichtigen neben normativen Vorgaben auch persönliche Erfahrungswerte, individuelle Risikoeinschätzungen sowie strategische Zielsetzungen. Dadurch können unter identischen objektiven Voraussetzungen unterschiedliche Maßnahmen gewählt werden. Bei konsequenter Anwendung der DWA-Regelwerke und einer einheitlichen Entscheidungsstrategie lässt sich die Übereinstimmung mit den automatisierten Ergebnissen jedoch deutlich steigern – bis hin zu 95 %.

Der dynamische Kostenvergleich (DKV) wird sehr häufig als Entscheidungskriterium zur Auswahl des Sanierungshauptverfahrens eingesetzt, berücksichtigt jedoch ausschließlich die Kostenseite. Die Zweckmäßigkeit und Genauigkeit wurden im Rahmen dieser Arbeit für die möglichen Sanierungshauptverfahren (Reparatur, Renovierung und Erneuerung) untersucht. Die Nutzungsdauern dieser Varianten sind benutzerdefiniert und werden in der Praxis oft recht willkürlich so festgelegt, dass nach Ende des Betrachtungszeitraums keine Restnutzungsdauern bei einzelnen Hauptverfahren verbleiben, die das Ergebnis verfälschen.

Abbildung 3 zeigt die Sanierungsvorschläge auf Basis der substanzbezogenen Vorgehensweise (SubKanS-Ansatz) im Vergleich zu den Ergebnissen des dynamischen Kostenvergleichs (DKV) bei drei unterschiedlichen angenommenen Reparatur-Nutzungsdauern (10, 15 und 20 Jahre). Von den drei Varianten weist DKV15 die größte Übereinstimmung mit SubKanS-Ansatz auf, während DKV10 und DKV20 deutlichere Abweichungen zeigen. Dies unterstreicht den erheblichen Einfluss der angenommenen Nutzungsdauer auf das wirtschaftliche Ergebnis im DKV.

Besonders kritisch ist dabei die Festlegung der Nutzungsdauer – insbesondere bei Reparaturverfahren –, da sie mit hoher Unsicherheit behaftet ist. Belastbare empirische Daten fehlen weitgehend, was die Aussagekraft und Genauigkeit des DKV deutlich einschränkt.

Auch die potenzielle Entwicklung weiterer Schäden an anderen Stellen infolge fortschreitender Alterung kann im DKV lediglich über spekulative Annahmen zu Kostensteigerungen über die Nutzungsdauer berücksichtigt werden.

Auch die Annahme weiterer Reparaturen im Rahmen zukünftiger Reinvestitionen sowie die Einschätzung, ab wann ausschließlich investive Maßnahmen sinnvoll und zielführend sind, unterliegt erheblichen Spekulationen. Häufig fehlt auch hierfür eine belastbare wissenschaftliche Grundlage, was die Planungssicherheit und Aussagekraft entsprechender Bewertungen deutlich einschränkt.

Abbildung 4 zeigt eine Beispielhaltung, für die der dynamische Kostenvergleich die Variante Reparatur als Vorzugsvariante ausweist.

Fazit und Ausblick

Mit der entwickelten Methode kann im Sinne eines Entscheidungsunterstützungssystems die Sanierungsplanung auf Konzeptebene fundierter, transparenter und effizienter erfolgen, wobei sie keine detaillierte Sanierungsplanung ersetzt. Die Methode ermöglicht eine erste grobe Einschätzung des Netzzustands sowie eine entsprechende Abschätzung der Kosten und des Personalbedarfs. Dadurch unterstützt sie eine schnelle und fundierte strategische Entscheidungsfindung sowohl in kaufmännischer als auch in personeller Hinsicht.

Dabei ist zu beachten, dass bei der automatisierten Ermittlung von Sanierungsvorschlägen ausschließlich die innerhalb des Rohres erfassten Randbedingungen berücksichtigt werden, insbesondere das festgestellte Schadensbild. In der detaillierten ingenieurmäßigen Sanierungsplanung hingegen fließen zusätzlich weitere Rahmenbedingungen der Örtlichkeit ein, wie etwa die Anfahrbarkeit der Baustelle, die Art und Intensität der Überbauung, vorhandene Platzverhältnisse oder sonstige logistische Einschränkungen. Diese externen Faktoren können maßgeblichen Einfluss auf die Wahl des Sanierungsverfahrens, den Zeitplan sowie die Kosten haben und sind daher im nachfolgenden detaillierten Planungsprozess unverzichtbar.

Zukünftig könnten weitere Verbesserungen erzielt werden durch:

Die Arbeit zeigt, dass eine datenbasierte, automatisierte Sanierungsplanung auf der Grundlage von Betrachtungen zur baulichen Substanz eine frühzeitige realistische Einschätzung des Sanierungsbedarfs ohne aufwändige Einzelauswertungen erlaubt.

Sie trägt so dazu bei, knappe personelle und finanzielle Ressourcen zielgerichtet bei der Sicherung der Lebensdauer von Kanalnetzen einzusetzen.

Literatur