Multiple Gefährdungen

Multiple Gefährdungen


ERTÜCHTIGUNG BAULICHER INFRASTRUKTUREN GEGEN MULTIPLE GEFÄHRDUNGEN

 

Multi Hazard:


Bauliche Infrastrukturen müssen in zunehmendem Maße in der Planung oder im Bestand gegen multiple Gefährdungen ertüchtigt werden. Das liegt u.a. an der allgegenwärtigen asymmetrischen Bedrohung durch terroristische Aktionen und an dem kumulierenden Auftreten von Naturkatastrophen, z.T. auch in dafür untypischen Regionen.

Sicherheitsorientiertes Planen und Entwerfen muss darauf ausgerichtet sein, Gestaltungs- und Konstruktionsparameter so auszuwählen und zu kombinieren, dass die Ästhetik eines Bauwerks nicht beeinträchtigt und gleichzeitig durch Ausnutzung von Synergieeffekten optimale Performanz in den Ertüchtigungs- und Schutzmaßnahmen erreicht wird.

 

Skalierbare Risiko- und Sicherheitsanalyse:


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Sicherheitsanalysen für Bauwerke können sehr zeitaufwendig werden, weil im Gegensatz zu den vereinfachten, abstrakten Modellen der Statik vielfältige geometrische und konstruktive Gebäudeparameter zu berücksichtigen und komplexere Simulationsmodelle zu entwickeln sind. Um aber in den verschiedenen Stadien von Entwurfs- und Planungsprozessen die Sicherheitsaspekte nicht zu vernachlässigen, haben in der Gebäudedetaillierung (s. oben) und im numerischen Aufwand skalierbare Nachweisverfahren eine erhebliche Bedeutung.

Empirische, d.h. schnelle Beanspruchungs- und Schädigungsanalysen sind nützlich bei der Identifikation maßgeblicher Gefährdungsszenarien (hot spots), bei zeitkritischen Maßnahmenentscheidungen für Krisenreaktionskräfte, um Risiken ihres Einsatzes abzuschätzen oder zur beschleunigten Ermittlung von Tatmerkmalen bei Terroranschlägen (forensic engineering).

Die generell aufwendige Erstellung von Berechnungsmodellen kann vereinfacht werden, wenn Gebäudeinformationsmodelle zur Verfügung stehen, aus denen sich unterschiedlich abstrahierte Analysemodelle automatisch generieren lassen.

 

Gefährdungen durch Explosionen:


 

Von den außergewöhnlichen Einwirkungen auf Bauwerke stellen die kurzzeitdynamischen Vorgänge wie Explosion und Anprall eine besondere Herausforderung dar, da das Werkstoffverhalten für hohe Verzerrungsraten und hohe Temperaturen (Phasenübergänge) sowie die Strukturantworten bei progressiver Systemdegradation weitgehend unerforscht sind.

Ist es schon hinreichend schwierig, bei Einzelobjekten die Wirkung einer Schockwellenausbreitung aus Fern-, Nah- oder Kontaktdetonationen für verschiedene Bausysteme und Materialien einschließlich der Sekundärfolgen wie Trümmerflug, teilweiser Kollaps und Feuer zu simulieren, erhöht sich der numerische Aufwand für Simulationen in bebauter Umgebung wegen der mannigfaltigen Reflektionen der Luftstoßwellen um ein Vielfaches.

 

Gefährdungen durch Explosionen:


 

Für den Nachweis der Erdbebensicherheit von Bauwerken sind neben der Bauwerksgeometrie und den Struktureigenschaften regional typische Beschleunigungsdiagramme maßgebend (s. unten). Bauwerkseigenschaften wie Regelmäßigkeit des Baukörpers oder Duktilität des Tragwerks bestimmen zum Teil die anwendbaren Rechenverfahren für die Standsicherheitsnachweise.

Vergleiche der baudynamischen Strukturantworten aus Explosions- und Erdbebeneinwirkungen liefern Anhaltspunkte für Synergien bzw. Zielkonflikte bei Bauwerksertüchtigungen für multiple Gefährdungen. Ähnlichkeitsbetrachtungen sind auch beim Kollapsverhalten infolge Bauteilversagen möglich. Konsequente Ertüchtigungen gegen Erdbeben beinhalten zugleich eine hohe Schutzwirkung gegen Explosionen!

 

Gefährdungen durch Explosionen:


 

Bauwerke können durch architektonische Gestaltung, konstruktive Ausbildung und Modellierung der umgebenden Liegenschaft wirksam gegen terroristische Anschläge und andere außergewöhnliche Einwirkungen geschützt werden. Sicherheit von Personen, Vermeidung eines Gebäudekollaps und ggf. Aufrechterhaltung aller Gebäude-Nutzungsfunktionen sind oberste Schutzziele.

Am Lehrstuhl für Baustatik wurde ein Entscheidungshilfesystem entwickelt, das ausgehend von beliebig kombinierten Gefährdungsszenarien Tabellen für eine Erfassung der problemabhängigen Gebäudeeigenschaften (geometrische und konstruktive) anbietet. Die Tabellen sind nach Einwirkungen getrennt, damit sie für den jeweiligen Fachingenieur übersichtlich bleiben, redundante Informationen werden aber automatisch auf allen Tabellen aktualisiert. Für die Bauwerksdaten ist es nicht von Bedeutung, ob sie aus Bestandsbauten oder aus einem Planungsobjekt stammen, erst bei einer Bauwerksanalyse ist eine entsprechende Unterscheidung notwendig. Es wurde eine Schnittstelle zu IFC-Gebäudemodellen entwickelt, die auch eine automatische Belegung der Tabellen ermöglicht.

Ausgehend von den erfassten signifikanten Gebäudemerkmalen erfolgt eine KI-gestützte Bauwerksanalyse, in der ungünstige Bauwerkseigenschaften aufgelistet und bessere Ausführungsvarianten vorgeschlagen werden. Darüber hinaus beinhaltet das Entscheidungshilfesystem für jede Gefährdungsart spezielle Tabellen mit generell anwendbaren baulichen Ertüchtigungsmaßnahmen, z.B. für Erdbeben, Explosionseinwirkungen, Wirbelstürme (Hurrikan, Tornado, Taifun), Hochwasser/Tsunami. Um einen interdisziplinären Dialog über zweckmäßige Ertüchtigungsmaßnahmen zu unterstützen, werden vielfältige Auswahlkriterien und Performanzvergleiche alternativer Maßnahmenkombinationen angeboten.

Nicht in jedem Fall, ist die Auswirkung einzelner Maßnahmen unmittelbar nachvollziehbar, z.B. die Reduktion einer Bauwerksbeanspruchung bei einer Abstandsvergrößerung zu einer Explosionsquelle. Das Entscheidungshilfesystem bietet in solchen Fällen Softwaretools an, mit denen ohne aufwendige Berechnungen Maßnahmen in ihrem Wirkungsgrad erfasst und über empirische Schädigungstabellen beurteilt werden können.

Das Entscheidungshilfesystem ist in Excel realisiert, alle Softwaremodule werden aus den Tabellen heraus gestartet. Einige Programmimplementierungen können als Preprozessor für weiterführende Praxissoftware genutzt werden, z.B. ETABS, SAP2000, InfoGraph.

Mit neuartigen Werkstoffen und Bauwerksausführungen können Personen vor Trümmerflug geschützt, die Ausbreitung strukturschädigender Schockwellen begrenzt und Bauteile durch Mehrfachschutzwirkung (z.B. gegen Explosion und Feuer) ertüchtigt werden. In umfangreichen Parameterstudien wurden Bauteil-/Baukörper1formen, Tragwerksvarianten, Fassaden (s.u.) und Materialkombinationen hinsichtlich ihrer Interaktion mit Schockwellen analysiert und daraus Entwurfsrichtlinien (design codes) abgeleitet.

 

Beispiele für parametrisierte Maßnahmen sind die Ablenkung einer Explosions-Luftstoßwelle durch eine Schutzwand oder eine Geländeböschung (Berme). Beide Maßnahmen können durch ein integriertes Simulationstool sofort analysiert werden (s.u.), ebenso wie eine Abstandsvergrößerung zu einem potentiellen Explosionsort.

 

 

PROJEKTLEITUNG:

  • Univ.-Prof. Dr.-Ing. N. Gebbeken (Baustatik)

BEARBEITUNG:

  • Dr.-Ing. Inna Videkhina
  • Dipl.-Ing. Eberhard Pfeiffer

PROJEKTE:

Erstellung einer Studie sowie einer Checkliste für "jedermann" bezüglich der Identifizierung und Bündelung untersuchungsrelevanter Gewerke, Gebäudestrukturen, Liegenschaftsgegebenheiten und KRITIS-Funktionen. (BBK, Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe) Bearbeitungszeit 5.2010 - 11.2010

Bauliche Ertüchtigung öffentlicher Gebäude gegen Anschläge und andere Gefahreneinwirkungen. (BBR, Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung) Bearbeitungszeit 11.2006 - 06.2008