Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology

                                               
Division: Wind & Severe Storms

Part: Vulnerability
In this sub-project, the effects of wind loads on natural and technical structures are investigated.

Responsible:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Bodo Ruck / ruck@uka.de

Dr.-Ing. Patrick Heneka
Laboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamik
Institut für Hydromechanik
Universität Karlsruhe (TH)

Kaiserstr. 12
76128 Karlsruhe
http://www.umweltaerodynamik.de


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Thema
Stürme und Orkane sind in unseren Breitengraden die Naturkatastrophen, die die meisten volkswirtschaftlichen Schäden verursachen. Betroffen hiervon sind Bauwerke und Ökosysteme gleichermaßen. Angesichts von mehreren Jahrhundertstürmen in einem "Jahrzehnt" sprechen nicht nur die Schadensbilanzen der Rückversicherer für sich, sondern aufgrund einer bewiesenen Erwärmungstendenz in der Atmosphäre wird in Wissenschaftskreisen von einem zunehmenden Risiko weiterer, vergleichbarer oder sogar stärker werdender Windaktivitäten ausgegangen.

 

Bauwerke
Als Forschungspotential im ingenieurwissenschaftlichen Bereich gelten einerseits die Wirkungen von Extremwinden auf die Bauwerksstabilität (klassischer Belastungsfall in der Gebäudeaerodynamik) andererseits auch eine verbesserte Methodik im Windschutz z.B. von industriell genutzten Flächen (industrielle Umweltaerodynamik). Durch Vulnerabilitätsanalysen sollen Schwachstellen an schwingungsfähigen und nichtschwingungsfähigen Bauwerken bei Extremwindexposition diskretisiert werden. Insbesondere muss hierbei das durch Extremwinde verursachte veränderte Belastungs- oder Erregungsspektrum betrachtet werden. Die zu erwartenden Erkenntnisse sollen einfließen in Empfehlungen zur Neukonstruktion oder zur Nachrüstung von Bauwerken. Mit eingeschlossen in die Betrachtungen wird der Schutz historischer Bausubstanz, an den ebenfalls gesteigerte Anforderungen zu stellen sind.
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Ökosysteme
Hierunter fallen Windwurf- und Windbruchschäden in Waldgebieten mit volkswirtschaftlichen Verlusten in enormer Höhe. Der Orkan "Lothar" hat z.B. am 26.12.1999 in ca. 1-2 Stunden in Baden-Württemberg 29.000.000 Bäume umgeworfen oder umgebrochen und dadurch allein in dieser Region ca. 3 Mrd. Euro an Schaden verursacht (Gesamtschadensbilanz "Lothar" in Europa: Ca. 100 Tote, über 10 Mrd. Euro volkswirtschaftliche Schäden, 200 Mio. Festmeter Holz geworfen/gebrochen, nachhaltige nicht bezifferbare Folgeschäden in Ökologie und Ökonomie). Stürme und Orkane bedrohen jedoch keineswegs nur Waldbestände, sondern auch die Nahrungsmittelproduktion, die für die Menschen lokal und global als existenziell anzusehen ist. So führt etwa die Wind-"Lagerung" des Getreides im Zusammenspiel mit starken Niederschlägen vermehrt zu Ertragsschäden. Vergleichbares gilt beim Maisanbau bzw. beim Futterpflanzenanbau. Ein anderes Beispiel stellen Obstplantagen dar, die nicht selten durch lokal auftretende Stürme verwüstet werden, was einhergeht mit der Vernichtung der Ernte. Ein Blick in die Statistik lässt das Schadenspotential erahnen, das allein in Deutschland bei einer Zunahme der Sturmaktivität betroffen sein könnte. Von den 17,8 Millionen Hektar landwirtschaftlich genutzter Fläche entfallen 11,8 Millionen Hektar auf bewirtschaftete Ackerflächen. Hiervon werden 7 Millionen Hektar mit Getreide, 1,5 Millionen Hektar mit Futterpflanzen, 1,4 Millionen Hektar mit Ölsaaten und der Rest mit verschiedenen Früchten (Hackfrüchte, Hülsenfrüchte, Gemüse) bepflanzt. 5.5 Millionen Hektar der landwirtschaftlich genutzten Fläche werden ständig als Dauergrünland oder für Dauerkulturen (z.B. Obst) genutzt. Das Fazit hieraus lautet, dass der überwiegende Teil der landwirtschaftlichen Nutzflächen Nahrungsprodukte hervorbringt, die überirdisch wachsen und während der Wuchszeit entweder dauernd, saisonal oder nur zeitweise (Reifezeiten) stark sturmanfällig sind. Es steht außer Frage, dass ein vergleichbarer Orkan wie "Lothar", träte er zur Mitte eines Jahres auf, nicht nur zu katastrophalen Waldschäden sondern auch zu katastrophalen Schäden in unserer landwirtschaftlichen Nahrungsmittelproduktion bis hin zum regionalen Totalverlust der Ernte führen würde.

 

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Ziel
Aufbauend auf dem Verständnis der Ursachen, der Abläufe und Auswirkungen können Handlungsempfehlungen für Behörden, Industrie oder Forstwirtschaft abgeleitet werden, die dringend benötigt werden. Zum anderen soll durch die Etablierung dieses Themengebiets dem Ausbildungsgebot und der starken Nachfrage seitens Industrie und Behörden nach spezifisch ausgebildetem Fachpersonal entsprochen werden, indem zusätzliche Spezialisierungs- oder Vertiefungsrichtungen für Studenten, sowie Aufbaustudien und Fortbildungskurse für Mitarbeiter aus Industrie und Behörden eingerichtet werden sollen.

 

Project: Wind Risk Map of Germany
Windschadensrisikokarte für Deutschland'
In der Windschadensrisikokarte Deutschland soll erstmals das Schadensrisiko durch Starkwind großflächig für Deutschland quantifiziert werden. Dazu müssen die Sturmgefährdung und die Schadensanfälligkeit bestimmt werden. In Abbildung 1 ist das Schema dargestellt, nach welchem die Risikokartierung durchgeführt wird. Informationen verschiedener Art (Topographie, Windfelder, Landnutzung usw...) werden geographisch überlagert, um mit geeigneten Bewertungsverfahren das Sturmrisiko abzuschätzen.

Um die Schadensanfälligkeit von existierenden Strukturen in Deutschland zu erfassen, wird zuerst eine Bestandsaufnahme relevanter Oberflächenstrukturen durchgeführt und diese Informationen in einem Geoinformationssystem (GIS) aufbereitet.

Zu diesen Informationen gehören:

  • Bebaute Flächen
    -  Wohnbauten
    -  Industriebauten 
  • Landwirtschaftlich genutzte Flächen (Äcker, Plantagen)
  • Waldflächen (Laub, Nadelwald)
  • Werteverteilung

 

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Ziel der weiteren Forschung ist es, diesen Flächen und Objekten geeignete Schadensfunktionen zuzuordnen, die es erlauben, den Schaden, der bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit auftritt, abzuschätzen. In Abbildung 2 ist eine typische Schadensfunktion von Gebäuden illustriert. Ab einer kritischen Geschwindigkeit treten Schäden erstmals auf, die dann bei weiterer Zunahme der Geschwindigkeit bis zu einem Maximalwert anwachsen. Die Herausforderung besteht darin, allgemeingültige Funktionen zu erarbeiten, die für große Bestände (Orte, Städte) trotz der Vielfalt ihrer Bebauungsarten verwendet werden können. Ähnliche Schadensfunktionen werden auch für natürliche Strukturen (Wald, Felder) benötigt, um deren Schadenspotential zu quantifizieren zu können.

Das Ziel besteht demnach darin, den Schaden, mit dem lokal durch die Windgefährdung und durch die Anfälligkeit der Strukturen gerechnet werden muss, abzuschätzen. Als kleinste geographische Einheit werden Gemeinde-Gebiete verwendet, d.h. es lassen sich mit der Risikokarte die Schadensrisiken auf Gemeindeebene darstellen.

 

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Weiterhin werden lokale topographische Ausprägungen berücksichtigt, die ebenfalls Einfluss auf die maximal zu erwartenden Windgeschwindigkeiten haben. Sowohl die Geländeform (Orographie) als auch die umgebende Landnutzung (Oberflächenrauhigkeit) werden in Klassen eingeteilt, mit denen sich unterschiedliche Windgeschwindigkeiten quantifizieren lassen und die im GIS verarbeitet werden können. Als Beispiel in Abbildung 3 ist eine einfache Klassifizierung von Kuppen (braun) und Tälern (grün) aus einem Höhenmodell dargestellt.

 

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Windprobleme in bebauten Gebieten
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Windprobleme in der Forstwirtschaft
© B. Ruck
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Windprobleme in der Landwirtschaft
© B. Ruck
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Windschäden (das Niederdrücken/Plattwalzen) an Getreidefeldern stellen Verluste für die Landwirtschaft dar (diese Art von Wetterschaden wird auch als "Lagerung" bezeichnet). Sofern das Korn weiterreifen kann, halten sich die Schäden in Grenzen. Problematisch wird es, wenn die Ähren auf dem Boden aufliegen oder durch nachfolgend starken Regen am Boden feucht gehalten werden.
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