Physikalisch-basierte Vulnerabilitätsanalyse von Gebäuden

Der vorliegende Projektantrag befasst sich mit der Vulnerabilität von Gebäuden gegenüber Hochwassergefahrenprozessen imAlpinen Raum. Die Abschätzung erwartbarer ObjektschädeninfolgeWildbachgefahrenund deren Gegenüberstellung mit den Wiederherstellungskosten erfolgen gegenwärtig anhand empirischer Schadensfunktionen. Auf Basis von Schadensmustern historischer Ereignisse und gebäudespezifischen Wiederherstellungswerten werden dabei einfache Relationen zwischen Einwirkungsintensität und Schadensausmaß angewendet. Die Vulnerabilitätsanalyse erfolgt unter Zugrundlegung der Modellierung relevanter Gefahrenprozesse und dabei getroffenen Annahmen für Prozessintensitäten und Wiederkehrintervalle. Dieser Ansatz der Vulnerabiltitätsanalyse von Gebäuden stellt keine rein physikalisch basierte bzw. integrale Methodik dar. Relevante und für Schadensmuster und -ausmaß häufig ausschlaggebende Teilprozesse, wie der Eintritt von Wasser-Feststoff-Gemischen ins Gebäudeinnereund die Durchströmungvon Gebäuden, werden nicht explizit berücksichtigt.Ebenso erfolgt keine strukturelle EinwirkungsanalysederbetrachtetenObjekte, inder Standsicherheit aberauch Gebrauchstauglichkeit unter Einwirkung von Wildbachgefahren überprüft werden. Mit dem vorliegendem Projekt werden die bestehenden Erkenntnisse und Modelle der Vulnerabilitätsanalyse um einen physikalisch-basierten Modellansatz erweitert. Dabei werden sämtliche schadensrelevanten, morphodynamischen Einwirkungen auf Gebäude im physikalischen Modellversuch sowie auch mit numerischen Modellen abgebildet und die dynamischen Einwirkungen auf Gebäude im Sinne verteilter Kraftmessungen quantitativ erfasst. Ein strukturmechanisches Modell der betrachteten Objekte mit den Einwirkungen aus der Prozessmodellierung stellt den Konnex zwischen Prozessmodellierung und Vulnerabilitätsanalyse her. Im Projekt werden Hochwasserverhältnisse mit markantem Geschiebeanteil betrachtet. Die Untersuchungen erfolgen zunächst abstrakt im Sinne einer Analyse angeströmter vertikaler Platten und folglich für ausgewählte Gebäude am Schwemmkegel des Schnannerbaches in Tirol (Österreich). Letztere werden für die Prozessmodellierung im physikalischen Modell (1:30) vollständig, d.h. inklusive relevanter Öffnungen der Außenhülle, nachgebildet und im Hinblick auf die Einwirkungsintensitäten und -muster analysiert. Neben einer generellen Analyse der objektspezifischen Vulnerabilität werden im Projekt lokale, technische Maßnahmen zum Schutz vor Wildbachgefahren sowie die gegenseitige Beeinflussung von Gebäuden im Sinne einer geostatischen Analyse untersucht. Die mit dem Projekt erzielten Ergebnisse bzw. der dabei angewandte integrale Ansatz zur Vulnerabilitätsanalyse stellen eine wesentliche Erweiterung zur bestehenden Risikoforschung dar. Zudem sind sie für die Praxis insofern von hoher Relevanz, als dass sie die Miteinbeziehung der Vulnerabilitätsanalyse in Gefahrenzonenplanungen, aber auch im frühen Planungsstadium von Objektschutzmaßnahmen gegen Wildbachgefahren erlauben.

Historic events reveal that fluvial natural hazards may cause considerable economic loss and also casualties in the Alpine region. Their hazard potential is substantially influenced by the presence of sediments. Especially floods with large quantities of relocated sediments may cause severe damages to buildings located within flood-prone torrential fans. Even though substantially important for flood risk management strategies, the quantitative understanding of the impact dynamics of complex fluviatile sediment transport processes on buildings is still a major research challenge. Mitigation efforts either rooted in spatial planning or in local structural protection may greatly benefit from further insights into the impact dynamics. FWF- project P27400-NBL focused on the modelling and analyses of fluviatile natural hazard processes and its interaction with buildings. Comprehensive scale model experiments were conducted to quantify the impact forces on buildings and to assess determining factors. The case study of the torrential fan of the Schnannerbach Torrent in Austria was in the focus. A steep torrent channel and the adjacent floodplain hosting complex building structures enabling also material intrusion process were considered. Impacts on the building envelopes were detected with a set of three-axial force sensors, which were tested and calibrated in preliminary flume experiments. The experiments indicated that impact forces mainly depend on the dynamics of sediment deposition on the floodplain (channelization). They are influenced by the spatial distribution of the buildings (shadowing effects) and less depending on the characteristics of the considered hazard process. Temporal impacts distribution revealed the appearance of maximum values during the event. Impacts derived from the static sediment deposition layer at the end of the event amounted to about 60-70 % of these maxima. Though, given the considered process intensities, modelling assumptions and simplifications, the exposed buildings were not endangered of a failure of structural stability. The project outcomes are valid for the case of fluviatile sediment transport processes. It is expected that debris floods and floods lead to higher impacts and the process characteristics as determining factors are more important. The project results reveal the need to consider the interaction of the natural hazard process and the built environment and the spatial distribution and mutual interaction of buildings in flood risk management. FWF-project P27400-NBL was handled by an interdisciplinary team involving researchers from University of Innsbruck, University of Natural Resources and Life Sciences Vienna and Universidad Austral de Chile in Valdivia. One Ph.D. thesis and several master and bachelor theses were processed within the project. Results and findings were also published in several peer- reviewed journal papers and presented at several (inter)national conferences / workshops.