SummaryWithin the last five decades natural desasters have occurred worldwide with increasing tendency.Mean sea level rise has been observed along many coastlines giving a challenge to thecoastal engineering profession especially because more and more people prefer to live at theseaside and the economic use of coastal areas is also increasing. Therefore, the often discussedquestions whether the safety of coastal defences can be quantified and how safe is safeenough, will become more and more important within the coming years. Probabilistic methodsprovide an unique possiblity to answer these questions. The main objectives of this thesisare (i) to set up a probabilistic design concept onthe basis of existing, improved and newlimit state equations for the governing failure modes (here: for sea dikes) as wellas their interrelations;(ii) to apply this probabilistic concept to selected case studies; and (iii) to comparethe results with results using traditional deterministic design procedures.All necessary failure modes (here: 25 failure modes) and the required input parameters (87input parameters) are collated and evaluated on the basis of existing failure analyses for seadikes. The interrelations between all failure modes are described in a fault tree. In order toobtain the overall objectives the following steps were performed: (i) the limit state equationsfor most of the 25 failure modes were newly developed, or adopted or improved from references,respectively; (ii) a consistent methodology for quantifying the uncertainties of input parametersand models was developed; (iii) the influence of uncertainties on the failure probabilitiesof the different failure modes was determined; (iv) the influence of the failure probabilitiesof all mechanisms and their influences on the overall failure probability were evaluated;(v) the interrelation of failure modes were analysed and failure scenarios were developed;(vi) the time dependent variations of input parameters and their influence on the overall failureprobability were investigated; and (vii) the calculated overall failure probability of the dikewas evaluated and compared with traditional deterministic design procedures.The analysis has shown that the overall failure probability of asea dike can be determined bythe proposed design concept. Taking into account all 25 failure modes for the investigatedexamples, an overall failure probability Pf can be calculated, which is about an order of magnitudelower than that using a simplified fault tree with a much lower number of failure modes.In comparison to traditional deterministic design procedures smaller dike dimensions(e.g. lower crown height of the dike) could be foreseen which means savings in terms of overallconstruction costs.Taking into consideration today's construction methods of sea dikes and crown heights themost important failure modes are the erosion processes at the seaward slope of dikes. It hasbeen shown that the uncertainty related to the design water level is the most important parameterregarding the failure probabilities of the individual failure modes and the overall failureprobability of the sea dike. On the other hand it has to be mentioned that for the cases investigatedhere the uncertainties of the limit state equations are only relevant for the failure modes'piping' and 'wave overtopping'.The overall results illustrate the feasability of probabilistic design procedures for planningnew coastal defence systems and for the quantification of safety reserves of existing coastalsea defences. Therefore, the results provide the basis for the most essential element within thetask of performing risk analyses for flood prone coastal areas.

Kurzfassung Weltweit haben sich in den letzten fünf Jahrzehnten vermehrt Naturkatastrophen ereignet. Anden meisten Küsten sind erhöhte Sturmflutwasserstände mit ansteigender Tendenz zu verzeichnen während andererseits weiterhin die Besiedlung und die wirtschaftliche Nutzung des Küstenraumes anwachsen. Damit wird die häufig diskutierte Frage noch weiter in den Mittelpunktrücken, ob sich die Sicherheit von Küstenschutzmaßnahmen quantifizieren lässt und wie sicher sicher genug ist. Probabilistische Methoden bieten die Möglichkeit, zur Beantwortung dieser Fragen beizutragen. Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, ein probabilistisches Bemessungskonzept auf der Grundlage bestehender, zu ergänzender und neu zu entwickelnder Grenzzustandsgleichungen für die maßgebenden Versagensmechanismen und deren Wechselwirkungen vorzuschlagen, das Konzept an Beispieldeichen zu Implementieren und die Ergebnisse mit denen herkömmlicher deterministischer Verfahren zu vergleichen. Auf Grundlagevon Schadensanalysen werden hierfür alle für die Fallbeispiele erforderlichen25 Versagensmechanismen einschließlich der dafür notwendigen 87 Eingangsparameter und ihrer Unsicherheiten zusammengestellt und bewertet. Die Zusammenhänge zwischen den Mechanismen werden in einem Fehlerbaum beschrieben. Hierfür werden (i) die Grenzzustandsgleichungen für die meisten Versagensmechanismen aufgrund der Schrifttumsanalyse entweder neu entwickelt, angepasst bzw. verbessert,(ii) eine einheitliche Methodik für die Erfassung der Unsicherheiten für Eingangsparameter und Modelle erarbeitet, (iii) die Einflüsse dieser Unsicherheiten auf die Versagenswahrscheinlichkeiten der jeweiligen Mechanismen ermittelt, (iv) die Versagenswahrscheinlichkeiten aller Mechanismen bestimmt und ihr Einfluss auf das Gesamtversagen erfasst, (v) die Abhängigkeiten der Versagensmechanismen untereinander analysiert und Versagensszenarien vorgestellt, die die zeitlichen Abläufe Des Versagens beschreiben, (vi) die zeitliche Veränderung der Eingangsparameter und ihr Einfluss auf die Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit des Deiches untersucht, und (vii) die Berechnete Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit des Deiches bewertet und mit Ergebnissen aus den herkömmlichen deterministischen Bemessungsverfahren verglichen. Die Analyse hat gezeigt, dass sich die Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit eines Seedeiches mit Hilfe des vorgeschlagenen Bemessungskonzeptes ermitteln lässt. Bei Berücksichtigung aller 25 Versagensmechanismen wird eine Versagenswahrscheinlichkeit Pf ermittelt, die beiden untersuchten Beispielen um etwa eine Zehnerpotenz niedriger liegt als bei Verwendung vereinfachter Fehlerbäume mit einer deutlich geringeren Anzahl von Versagensmechanismen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren könnten bei allgemeiner Akzeptanz der vorgestellten Methode bei Neubauten z.B. geringere Deichabmessungen (z.B. Kronenhöhe) und damit Einsparungen der Baukosten erzielt werden. Die wichtigsten Versagensmechanismen beziehen sich bei den heutigen Deichbauweisen und Kronenhöhen auf die Erosionsprozesseauf der Außenböschung von Seedeichen. Vor allem die Unsicherheiten des Bemessungswasserstandes weisen einen entscheidenden Einfluss auf die Versagenswahrscheinlichkeiten der einzelnen Grenzzustandsgleichungen und auf die Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit auf. Die Unsicherheiten der Modelle sind dagegen nur für rückschreitende Erosion (Piping) und Wellenüberlauf von Relevanz. Die Ergebnisse der Arbeit sollen die Machbarkeit von probabilistischen Bemessungsverfahren für neue und zur Quantifizierung der Sicherheitsreserven von bestehenden Küstenschutzwerken veranschaulichen. Die vorgestellte Vorgehensweise liefert die Grundlage für den wesentlichsten Baustein zur Durchführung von Risikoanalysen für durch Hochwasser bedrohte Küstenregionen.