Physics-based flood risk vulnerability analysis of buildings

This proposal deals with the vulnerability analysis of buildings exposed to torrential hazard processes in the Alpine region. At present, the determination of expected losses at buildings due to torrential hazards and its comparison with reconstruction costs is based on empirical loss functions. Straightforward relations of process intensities and the extent of losses, gathered by the analysis of historic flood events and the information of object-specific restoration values, are used therefore. The ascertainment of loss is commonly accompanied by the modelling of the relevant processes and, there, the definition of specific scenario intensities and occurrence intervals. This approach for the vulnerability analysis of buildings does not represent a purely physics-based and integral concept since relevant and for the extent of damages mostly crucial processes, as the intrusion of the fluid-sediment-mixture into elements at risk, are not explicitly considered. Further, a structural response analysis of the considered building, verifying object stability and usability under the influence of impacting loads from torrential hazards, is not performed. The submitted project will basically extend the findings and models of present risk research in the context of an integral, physics-based vulnerability analysis concept. Therein, all damage-relevant, morphodynamic processes impacting the considered elements at risk are adequately modelled, both experimentally within a physical scale model test and numerically. The dynamic impacts on the building envelopes are gathered quantitatively and spatially distributed by the use of a set of force transducers. A structural response model of the buildings, considering the impacts from the process modelling, is further applied in order to provide a link between the impact scenario simulations and the vulnerability analysis. Within the project, specific focus is put on the analysis of flood discharges with a rather high fraction of sediments. The experimental analysis is firstly done by analysing the impacts on artificial, vertical and skewed plates, including also openings for material intrusion. Further, the impacts on specific buildings within the test site of the project, the fan apex of the Schnannerbach torrent in Tyrol (Austria), are analysed in detail. The buildings are entirely reconstructed within the physical scale model (1:30), including basement and first floor and thereby all relevant openings on the building envelopes. In addition to a general vulnerability analysis, local technical protection measures are tested. Further, the interaction of the buildings in terms of a geo-statistical analysis is analysed. The project results and the applied vulnerability analysis concept mean a significant expansion of the present methods for flood risk assessment. Further, for practical application, they are of basic importance, as they provide extensive information to support during hazard zone mapping and management and as well during the planning phase of local technical protection measures.

Im Alpenraum können fluviale Naturgefahrenprozesse große Schäden an Gebäuden und Infrastruktur anzurichten. Dabei stellen sie auch eine Gefahr für Leib und Leben dar. Das Gefahrenpotential ist insbesondere dann groß, wenn große Mengen an Sedimente mit dem Abfluss transportiert werden. Diese Prozesse können die Gewässersysteme überlasten, zu massiven Ablagerungen in Siedlungsbereichen führen und auch sehr große Einwirkungen auf exponierte Gebäude bewirken. Die Dynamik dieser Prozess-Objekt-Interaktion von großer Bedeutung. Dennoch besteht hier Forschungsbedarf, der insbesondere für die Planung von (Objekt)Schutzmaßnahmen oder raumplanerischen Maßnahmen wichtig ist. FWF-Projekt P27400-NBL befasste sich mit der Modellierung und Analyse fluviatiler Naturgefahrenprozesse und deren Interaktion mit Gebäuden. Umfassende Experimente im hydraulischen Modellversuch wurden durchgeführt, um einwirkende Kräfte aus Wildbachprozessen auf Gebäude zu quantifizieren und maßgebende Einflussparameter zu identifizieren. Die Untersuchungen basierten auf einer Fallstudienbetrachtung des Schnannerbaches in Österreich. Das steile Wildbachgerinne sowie der angrenzende Schwemmkegelbereich mit den komplexen Gebäudestrukturen wurden nachgebildet. Einwirkungen aus den Prozessen auf die Gebäude wurden mittels drei-axialen Kraftsensoren in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfasst. Dabei wurde auch die Durchströmung der Objekte berücksichtigt. Die Experimente zeigten, dass die Einwirkungen auf die Gebäude stark vom Ablagerungsmuster am Schwemmkegel beeinflusst werden. Die räumliche Anordnung der Gebäude und ihre gegenseitige Beeinflussung (Abschattung) sind hierbei relevant, hingegen sind die Eigenschaften des Prozesses von geringerer Bedeutung. Jene Einwirkungen durch die statischen Ablagerungen nach Ereignisende betrugen etwa 60- 70% der Maximalwerte während des Ereignisses. Mit statischen Berechnungen konnte gezeigtwerden, dass diese Einwirkungsgrößen unterden gegebenen Prozessrahmenbedingungen und -vereinfachungen nicht zum Versagen der strukturellen Standsicherheit der betrachteten Gebäude führen. Die Erkenntnisse aus den Modellversuchen beziehen sich auf fluviatile Verlagerungsprozesse. Es ist anzunehmen, dass murartige Verlagerungsprozesse und Murgänge höhere Einwirkungen auf Gebäude bewirken und auch die Prozesscharakteristika größeren Einfluss auf die Ausprägung der Einwirkungen ausüben. FWF-Projekt P27400-NBL wurde in einem interdisziplinären Team mit Forschern der Universität Innsbruck, der Universität für Bodenkultur Wien und der Universidad Austral de Chile in Valdivia bearbeitet. Dabei wurden eine Dissertation sowie mehrere Master- und Bachelorarbeiten abgeschlossen. Projektergebnisse wurden in mehreren peer-reviewed Journal-Artikeln publiziertund an (inter)nationalen Fachkonferenzen / Workshops präsentiert.