Originally published as: Grünthal, G. (2006): Seismische Risikokartierung Deutschlands Zweijahresbericht 2004/2005, Geoforschungszentrum,

Transkript

1 Originally published as: Grünthal, G. (2006): Seismische Risikokartierung Deutschlands Zweijahresbericht 2004/2005, Geoforschungszentrum,

2 Seismische Risikokartierung Deutschlands Auszug aus dem Zweijahresbericht 2004/2005 der Sektion Ingenieurseismologie des GeoForschungsZentrums Potsdam in der Helmholtz-Gemeinschaft Dr. Gottfried Grünthal, Leiter der Sektion Ingenieurseismologie Die Forschungsarbeiten der Sektion 5.3 Ingenieurseismologie konzentrieren sich auf ingenieurtechnisch umsetzbare und damit angewandte seismologische Forschungsthemen wie z. B. probabilistische Einschätzungen der Erdbebengefährdung, deren Überführung in Regelwerke zum erdbebengerechten Konstruktionsentwurf sowie in Erdbebenrisikoaussagen als Grundlage für ein Risikomanagement. Hinzu kommen seismologische und ingenieurseismologische Grundlagenuntersuchungen, wie die Bereitstellung geeigneter Ausgangsdaten, z. B. von Dämpfungsbeziehungen von potentiell schadenverursachenden Erschütterungsparametern, der Vulnerabilitätsanalyse von Bauten, numerischen Modellierungen zum Bebengenerierungspotential von geologischen Bruchstörungen sowie Analysen zum bebenauslösenden Spannungsfeld in der Erdkruste. Seismische Risikokartierung Deutschlands Im gemeinsam von GFZ Potsdam und der Universität Karlsruhe betriebenen virtuellen Institut CEDIM (Centre for Disaster Management and Risk Reduction Technology) wurde im Projekt Risikokartierung Deutschland das Erdbebenrisiko landesweit berechnet und kartenmäßig dargestellt (vgl. dazu auch die Arbeit Risikokarten für Deutschland in diesem Bericht). Verschiedene der seismisch aktivsten Zonen in Europa nördlich der Alpen finden sich in Deutschland bzw. im Grenzgebiet zu Deutschland (Abb. 5.31). Dort traten in historischer Zeit Momentmagnituden von M W > 6 und bis M W = 6,9 auf, denen Erschütterungsintensitäten von VIII-IX und IX entsprechen. Da verschiedene dieser aktiven Seismizitätszonen eine hohe Bevölkerungsdichte und einen hohen Grad der Industrialisierung aufweisen und damit die Erdbebengefährdung mit einer hohen Konzentration von Werten zusammentrifft, ist die Analyse der Einflüsse von Erdbeben auf eine derart exponierte Infrastruktur sehr wichtig. Abb. 5.31: Zeitgenössischer Kupferstich, der die Wirkungen des Bielefeld-Bebens von 1612 zeigt: verängstigte Bürger (Mitte), herunterfallendes Zinngeschirr (links) und (rechts) beschädigte Bauten, wie ein Stadttorturm und das Bielefelder Franziskaner-Kloster, die erhebliche Mauerrisse aufweisen (vgl. Grünthal, 2004). Contemporary engraving showing the effects of the 1612 Bielefeld earthquake: frightened people (middle), falling pewter wave (left) and (right) damaged buildings like a city gate tower and the Bielefeld Franciscans monastery, both evidencing considerable fissures in the walls (cf. Grünthal, 2004).

3 Abb. 5.32: Epizentren katalogisierter Erdbeben (Grünthal & Wahlström, 2003, 2005). Epicentres of catalogued earthquakes (Grünthal & Wahlström, 2003, 2005). Eine Methodik zur Berechnung des seismischen Risikos geht aus von intensitätsbasierten probabilistischen seismischen Gefährdungseinschätzungen, Vulnerabilitätsmodellen auf der Grundlage der räumlichen Verteilung von Wohngebäuden unterschiedlichster Bauweisen bzw. -typen sowie den Wiederherstellungskosten solcher Wohngebäude spezifiziert für alle kommunalen Strukturen. Die grenzüberschreitenden Erdbebendaten in Form einer europäischen Datenbasis (Abb. 5.32) wurden am GFZ von Grünthal & Wahlström (2003) erarbeitet. Ebenso wurden die Erdbebengefährdungsdaten von früheren Analysen am GFZ verwendet, die für den Erschütterungsparameter der makroseismischen Intensität kalibriert und für eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit von 90 % in 50 Jahren berechnet sind (Abb. 5.33). Die Erdbebengefährdungsdaten, die primär für einen Gitterpunktabstand von 0,1 x 0,1 vorliegen, werden anhand von Interpolationen jeder der separaten administrativen Kommunen in Deutschland zugeordnet. Für die Abschätzung der Häufigkeitsverteilung von Gebäuden bestimmter Verletzbarkeitsklassen wurde eine repräsentative Methodik entwickelt. Verschiedene Prototyp-Kommunen, die unterschiedlichen Klassen von Kommunen bezüglich ihrer Einwohnerzahl entsprechen, wurden anhand von Vor-Ort-Analysen im Hinblick auf ihre Vulnerabilitätsstruktur untersucht. Diese fünf Einwohnerklassen umfassen Orte mit weniger als 300 Einwohnern, 300 bis 3000, 3000 bis , bis und mehr als Zusatzinformationen konnte aus veröffentlichtem Material und der nationalen INFAS- Datenbank entnommen werden. Zur notwendigen Unterteilung von Verletzbarkeiten wurden die im Rahmen der Europäischen Makroseismischen Skala (EMS-98; Grünthal, 1998) erarbeiteten und international bewährten Vulnerabilitätsklassen zugrunde gelegt und deren repräsentative Häufigkeitsverteilungen in den fünf Kommunenklassen ermittelt.

4 Abb. 5.33: Erdbebengefährdung in Deutschland in Form berechneter Intensitätswerte für eine Nichtüberschreitenswahrscheinlichkeit von 90 % in 50 Jahren; mit untersetzter Karte der Epizentren tektonischer Erdbeben (Grünthal & Bosse, 1996, Grünthal et al., 1998). Earthquake hazard in Germany in terms of European Macroseismic Scale intensities for a non-exceedence probability of 90% in 50 years; epicentres of tectonic earthquakes as background (Grünthal & Bosse, 1996, Grünthal et al., 1998). Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen wurden erarbeitet, die den erwarteten Schaden (in Prozent der Zerstörung) für verschiedene Kombinationen von Vulnerabilitätsklassen und makroseismische Intensitäten angeben. Diese sind in Abb als Vulnerabilitäts- bzw. Fragilitätskurven dargestellt. Die Vulnerabilitätsklassenverteilung in Verbindung mit den

5 Abb. 5.34: Vulnerabilitätskurven für die Vulnerabilitätsklassen A-D der EMS-98 (Grünthal, 1998). Vulnerability curves for the EMS-98 vulnerability classes A-D (Grünthal, 1998). Schadensmatrizen ergibt typische Schadenskurven für die Kommunengrößenklassen (Abb. 5.35). In einem nächsten Arbeitsschritt werden die makroseismischen Intensitäten für das betrachtete Gefährdungsniveau (bzw. Eintreffenswahrscheinlichkeit) mit den zugehörigen Werten der Fragilitätskurven kombiniert. Werden diese ortsbezogenen Daten wiederum mit den Wiederherstellungskosten verknüpft, folgt als Resultat die Erdbebenrisikokarte in Form von monetären Verlustaussagen (Abb. 5.36). Bisher wurden lediglich Wohnhäuser in die Analysen einbezogen. Die Angaben zum Werteinventar (Asset) in den einzelnen Kommunen sind von der Asset-Gruppe in CEDIM bereitgestellt worden. Abb. 5.35: Vulnerabilitäts-(Schadens-)kurven für die repräsentativen Kommunengrößenklassen. Vulnerability (damage) curves for the representative community classes. Den relativ geringen Schadenserwartungen für größere Städte (diese weisen infolge massiver Kriegseinwirkungen in stärkerem Ausmaß resistentere neuere Bauten auf als die Mehrzahl kleinerer Städte) stehen i. d. R. dennoch erhöhte Risikowerte gegenüber, die durch die im Gegensatz zu kleineren Kommunen erhöhten Wertekonzentrationen bedingt sind. Für die bevölkerungsreicheren Kommunen ist damit deren relativ zur Umgebung erniedrigte Vulnerabilität mehr als kompensiert durch deren höhere totale Wertekonzentration. Für das gewählte Wahrscheinlichkeitsniveau von 10% Überschreitenswahrscheinlichkeit in 50 Jahren ergeben sich damit erwartete Verlust von mehreren Hundert Millionen Euro in den am meisten gefährdeten größeren Kommunen. Die 15 Kommunen mit dem größten erwarteten Erdbebenrisiko sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

6 Abb. 5.36: Erwartete Verteilung des seismischen Risikos (Millionen Euro) in deutschen Kommunen für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit von 90 % in 50 Jahren (Tyagunov u. a., 2006, submitted). Estimated distribution of seismic risk (millions of euro) in communities of Germany for a non-exceedence probability of 90% in 50 years (Tyagunov u. a., 2006, submitted) Dieses methodische Vorgehen zur Abschätzung des seismischen Risikos wurde anhand beobachteter Schadenswerte von Beben der letzten 30 Jahre in Deutschland bzw. im grenznahen benachbarten Ausland kalibriert. Obwohl lediglich Wohnbauten betrachtet wurden und keine sonstigen, gegenüber Erdbeben verletzbare Objekte, gibt die vorliegende Risikokarte bereits einen guten Eindruck vom insgesamt zu erwartenden Erdbebenrisiko, zumal Wohngebäude sowohl seitens ihres Werteinventar als auch vom sozialen Standpunkt aus betrachtet, in ihrer Summe die größte gesamtgesellschaftliche Bedeutung besitzen.

7 Tab. 1: Liste von Kommunen mit den höchsten Risikowerten; erwartete Verluste durch mögliche Schäden an Wohnbauten für eine Nichteintreffenswahrscheinlichkeit von 90% in 50 Jahren. List of the 15 communities with the highest risk values; estimated losses due to probable damage to the residential building stock for a 90% non-exceedence probability in 50 years. Community Location Federal state Population (thousand) Seismic risk (million of euro) Köln N 6 55 E North Rhine-Westphalia Aachen N, 6 05 E North Rhine-Westphalia Tübingen N, 9 03 E Baden-Württemberg Mönchengladbach N, 6 26 E North Rhine-Westphalia Reutlingen N, 9 12 E Baden-Württemberg Stuttgart N, 9 11 E Baden-Württemberg Albstadt N, 9 00 E Baden-Württemberg Düren N, 6 28 E North Rhine-Westphalia Freiburg im Breisgau N, 7 50 E Baden-Württemberg Konstanz N, 9 10 E Baden-Württemberg Karlsruhe N, 8 23 E Baden-Württemberg Lörrach N, 7 39 E Baden-Württemberg Balingen N, 8 51 E Baden-Württemberg Frankfurt am Main N, 8 40 E Hessen Kerpen N, 6 41 E North Rhine-Westphalia Literatur Grünthal, G.: The history of historical earthquake research in Germany. Annals of Geophysics 47 (2/3), , Grünthal, G. (ed.): European Macroseismic Scale 1998 (EMS-98). Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie 15, Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Luxembourg, 99 pp., Grünthal, G. and Bosse, C.: Probabilistische Karte der Erdbebengefährdung der Bundesrepublik Deutschland - Erdbebenzonierungskarte für das Nationale Anwendungsdokument zum Eurocode 8: Forschungsbericht. Report STR 96/10, GeoForschungsZentrum Potsdam, 24 pp., Potsdam, Grünthal, G. and Wahlström, R.: An M W based earthquake catalogue for central, northern and northwestern Europe using a hierarchy of magnitude conversions. Journal of Seismology 7 (4), , Grünthal, G., Mayer-Rosa, D. and Lenhardt, W.: Abschätzung der Erdbebengefährdung für die D-A-CH-Staaten - Deutschland, Österreich, Schweiz. Bautechnik 75 (10), , Tyagunov, S., Grünthal, G., Wahlström, R., Stempniewski, L. and Zschau, J.: Seismic risk mapping for Germany. Natural Hazards and Earth System Sciences, submitted, 2006.