Bewertung der Verletzbarkeit von typisierten Bestandsbauten unter dem Einfluss extremer Naturgefahren

Projektnummer: 278225923

Projektlaufzeit:

  1. Phase: 08/2015 – 01/2018
  2. Phase: 02/2021 – 01/2023

Projektleitung: Dr.-Ing. Jochen Schwarz

Bearbeiter:

  1. Phase: Dr.-Ing. Holger Maiwald, Dipl.-Ing. Christian Kaufmann, Dipl.-Ing. Tobias Langhammer
  2. Phase: Dr.-Ing. Holger Maiwald, M.Sc. Nooshin Hadidian Moghaddam, M.Sc. Lissethe Fernanda Gonzalez Lamadrid

Zielstellungen

1. Phase

Ziel des geplanten Projekts ist die Entwicklung eines ingenieurmäßigen, mathematisch fundierten Bewertungssystems für die Verletzbarkeit von Gebäudebeständen in ihrer räumlichen Verteilung unter den Einwirkungen der Naturgefahren Erdbeben, Hochwasser, Tsunami und Wind und ihrer Kombination im Sinne einer Multi Hazard Verletzbarkeit.

Der Gefährdungsbezug wird aus den bautechnisch relevanten Wiederkehrperioden abgeleitet. Dabei sind mittels Geografischer Informationssysteme und Einsatz eines fortgeschrittenen Standes der Geotechnologien methodische Grundlagen zur Abstufung der jeweils dominanten Naturgefahr zu entwickeln.  

Für das Bewertungssystem sind die Elemente der European Macroseismic Scale 1998 (EMS-98), wie Schadensgrade, Verletzbarkeitsklassen und ihre qualitative und quantitative Verknüpfung in Form von Intensitäten auf die anderen Naturgefahren zu übertragen bzw. durch die ereignis- und standortkonkreten Datenauswertungen abzuleiten.

Die Bauwerksschäden werden für die einzelnen Naturgefahren nach einem einheitlichen Grundprinzip klassifiziert. Dem Vorgehen der EMS-98 folgend ist zwischen strukturellen und nicht-strukturellen Schäden zu unterscheiden, denen in Form von Schadensgraden charakteristische Schadensbilder zuordenbar sind.

Die Bewertung der Gebäudeverletzbarkeit erfolgt im Hinblick auf die durch die Naturgefahren entweder global oder lokal unterschiedlich beanspruchten Bauwerkszonen. In Anlehnung an die EMS-98 werden bauweisenspezifische Verletzbarkeitsklassen für die einzelnen Naturgefahren abgeleitet. Ingenieurmäßige und erfahrungsbasierte Zuordnungen der wahrscheinlichsten Verletzbarkeitsklassen und die Kennzeichnung ihrer Streubereiche sind durch ein einheitliches analytisches (mathematisch begründetes) Konzept zu verifizieren bzw. zu plausibilisieren.

Das Bewertungssystem ist auf Grundlage von realen Schadensdaten zunächst für die einzelnen Naturgefahren zu entwickeln und dann für eine komplexe Bewertung der Bauwerksverletzbarkeit im Sinne eines Multi Hazard Vulnerability Model (MHVM) zu erweitern.

Für die Schadensprognose ist das Bewertungssystem so anzupassen, dass Veränderungen der Verletzbarkeit infolge zeitlich unterschiedlich geschalteter Ereignisse bzw. Ereignissequenzen gleichartiger und unterschiedlicher Naturgefahren betrachtet werden können. Im Vorhaben werden dabei Abfolgen von Einwirkungen mit vorherrschend horizontaler Lastrichtung betrachtet.

Die entsprechend des zeitlichen Abstands vom Primärereignis zu erwartende Veränderungen der Verletzbarkeit (infolge Schädigung, Sanierungs- und Rekonstruktionsmaßnahmen) sind durch sogenannte „vulnerability adjuster“ zu berücksichtigen.

Die entwickelten Elemente des Bewertungssystems sind in verschiedenen Untersuchungsgebieten anzuwenden und anhand realer Ereignisfolgen zu validieren.

 

2. Phase

Ziel der ersten Phase des Projekts (2015 – 2018) war die Entwicklung eines Bewertungssystems für die Multi Hazard Verletzbarkeit von typisierten Gebäudebeständen unter den extremen Einwirkungen aus den Naturgefahren Erdbeben, Hochwasser, Tsunami und Wind. Mit der entwickelten Methode der „LEGOisierung“ wird der Weg vom Gebäude über die Makroebene der Geschosse zur mikroskaligen Ebene der verhaltensrelevanten Tragelemente eröffnet. Die Substrukturierung der Gebäude in Geschosse (inkl. Dach, Keller und Decken) erlaubt eine Weiterentwicklung der Typisierung konkreter Widerstands- bzw. Schadensmerkmale (Verletzbarkeit der einzelnen Bauwerksbereiche). Die Bewertung der Verletzbarkeit erfolgt zunächst für das Bauwerk global und soll nun im Hinblick auf die durch die Naturgefahren lokal unterschiedlich beanspruchten Bauwerkszonen konzentriert werden. Methodische Grundlagen, die Schadensprogression durch ingenieurmäßige Analysen zu beschreiben, sollen durch die Bereitstellung einwirkungsäquivalenter Lastbilder und ihre Dekomposition in die relevanten Komponenten abgeleitet werden.

Nachdem bisher die Naturgefahren einzeln betrachtet wurden, ist der Fokus im Weiteren auf die Ereigniskaskaden zu setzen. Das Bewertungssystem ist so anzupassen, dass Veränderungen der Verletzbarkeit infolge zeitlich unterschiedlich geschalteter Ereignisse bzw. Ereignissequenzen gleichartiger und unterschiedlicher Naturgefahren betrachtet werden können.

Es sind Expositionsklassen festzulegen, welche die konkrete Gefährdungssituation durch die einzelnen Naturgefahren am Standort widerspiegeln und somit eine Bewertung der Dominanz bzw. einen direkten Vergleich der betrachteten Naturgefahren erlauben. Die Festlegung der äquivalenten Einwirkungsintensitäten schließt ein, die Einwirkungsbereiche zu bestimmen, die für die Ausbildung der geschossbezogenen Schadensgrade verantwortlich zeichnen (Abb. 1).

Die entwickelten bzw. erforderlichen Tools und Methoden sind in einem „Konzeptionellen Simulationstool“ zu integrieren bzw. die Elemente in ihrer Verknüpfung aufzuzeigen. Die Ableitung repräsentativer Modellobjekte soll die Virtualisierung eines detailliert erhobenen Gebäudebestandes in einem für Schadensprognosen tauglichen Modell ermöglichen.

Projektbegleitende Literatur

Maiwald, H., Schwarz, J. (2016): Die Sturzflut von Braunsbach – Ingenieuranalyse der Gebäudeschäden, Bautechnik 93, 12, 925-932. https://doi.org/10.1002/bate.201600087

Maiwald, H., Schwarz, J. (2016): Der Tornado von Bützow in Mecklenburg-Vorpommern - Ingenieuranalyse der Gebäudeschäden. Bautechnik 93, 04, 254-264, https://doi.org/10.1002/bate.201500092

Maiwald, H., Schwarz, J. (2017): Vulnerability assessment of Multi Hazard exposed building types - development of an EMS-98 based empirical-statistical methodology. Proceedings 16th World Conference on Earthquake Engineering, Santiago, Chile, 2017, Paper No. 2134. https://www.wcee.nicee.org/wcee/article/16WCEE/WCEE2017-2134.pdf

Maiwald, H., Schwarz, J. (2018): Vereinheitlichte Schadensbeschreibung und Risikobewertung von Bauwerken unter extremen Naturgefahren. Bautechnik 95, 10, 743-755. https://doi.org/10.1002/bate.201800009Download (2.4MB)

Maiwald, H., Schwarz, J. (2019): Unified damage description and risk assessment of buildings under extreme natural hazards, European Journal of Masonry 23, 2, 95-111. https://doi.org/10.1002/dama.201910014

Maiwald, H., Schwarz, J. (2019): Zur Realitätsnähe und Prognosetauglichkeit simulativer Methoden der Erdbebenschadenmodellierung auf Grundlage der EMS-98.  In: Adam, C., Achs, G. und Furtmüller T. Hrsg. Vortragsband 16. D-A-CH Tagung Erdbebeningenieurwesen & Baudynamik (D-A-CH 2019) Innsbruck, Paper ID 1186. 

Maiwald, H., Schwarz, J. (2020): Simulative Erdbebenschadensmodellierung auf Grundlage der EMS-98 – Realitätsnähe und Prognosetauglichkeit, Bautechnik 97, 04, 243-254, https://doi.org/10.1002/bate.201900064

Maiwald, H., Schwarz, J. (2021): Simulative Earthquake Damage Modeling Based on EMS-98 - Reliability and Predictability, 17th World Conference on Earthquake Engineering, Sendai, Japan, Paper No. C000152

Schwarz J., Maiwald, H., Leipold, M., Langhammer, T., Kracht, M., Müller B. (2015): Das Erdbeben vom 17.05.2014 in Südhessen – Ingenieuranalyse der Erdbebenschäden, Bautechnik 92, 9, 647-659. https://doi.org/10.1002/bate.201500035

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C. (2016): Unsicherheiten bei der Quantifizierung von Hochwasser-Schadenspotenzialen. Bautechnik 93, 04, 214-229. https://doi.org/10.1002/bate.201600011

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C., Beinersdorf, S. (2017): Bewertung der Verletzbarkeit von Bestandsbauten unter dem Einfluss extremer Naturgefahren. In: V. Zabel & S. Beinersdorf Hrsg. Vortragsband D-A-CH-Tagung: Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik 2017, 21.-22. September 2017 Weimar, Deutschland. DGEB-Publikation Nr. 17. Weimar, Deutsche Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik (DGEB) e.V., S.182–195.

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C., Langhammer, T., Beinersdorf, S. (2018): Konzeptionelle Grundlagen und Tools zur Bewertung der Multi Hazard Verletzbarkeit von Bestandsbauten. Bautechnik 95, 09, 639-652.  https://doi.org/10.1002/bate.201800010,  Download (3.2MB)

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C., Beinersdorf, S. (2018): Evaluation of the vulnerability of existing building stocks under single and Multi Hazard impact, 16th European Conference on Earthquake Engineering (ECEE), Thessaloniki, Greece, 18-21 June 2018. http://papers.16ecee.org/files/Paper ID 11641 final.pdf

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C., Langhammer, T., Beinersdorf, S. (2019): Conceptual basics and tools to assess the multi hazard vulnerability of existing buildings. European Journal of Masonry 23, 4, 246-264. https://doi.org/10.1002/dama.201910025

Schwarz, J., Maiwald, H., Kaufmann, C., Beinersdorf, S. (2019): Synopse der Naturgefahren für Köln - Zum Stand der Multi Hazard Verletzbarkeits-Bewertung von Bestandsbauten. In: Adam, C., Achs, G. und Furtmüller T. Hrsg. Vortragsband 16. D-A-CH Tagung Erdbebeningenieurwesen & Baudynamik (D-A-CH 2019) Innsbruck, Paper ID 1190. 

Schwarz, J., Maiwald, H. (2020). Synopse der Naturgefahren für Köln, Bautechnik 97, 04, 221-232, https://doi.org/10.1002/bate.201900088

Schwarz, J., Maiwald, H. (2020). Synopse der Naturgefahren für Köln, UnternehmerBrief Bauwirtschaft, 43, 08, 6-11