Verbundprojekt SKRIBT Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen. Schlussbericht: Schutz kritischer Brücken und Tunnel

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1 Verbundprojekt SKRIBT Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen Schlussbericht: Schutz kritischer Brücken und Tunnel Öffentliche Fassung Gefördert durch: Bundeministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Berlin Projektträger: VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf

2 1 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Bearbeitet von: Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI), HOCHTIEF PPP Solutions GmbH Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart Lehrstuhl für Psychologie I der Julius-Maximilians-Universität Würzburg Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb der Ruhr-Universität Bochum (TLB) PTV Planung Transport Verkehr AG Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbh Düsseldorf Siemens AG Dieser Bericht enthält in der Originalfassung sensible Inhalte, die aus der vorliegenden öffentlichen Fassung entfernt wurden.

3 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 2 Inhalt 1 Einleitung Allgemeines Zielsetzung Vorgehensweise Sicherheitstechnische Untersuchung von Bauwerken Allgemeines Vorgehensweise Bedrohungsanalyse Allgemeines Terrorismus und kriminelle Handlungen Extreme Naturereignisse Menschliches / Technisches Versagen Objektanalyse Allgemeines Relevante Ereignisse Analyse der Resttragfähigkeit Analyse der Nutzerbelange Analyse der verkehrlichen Gegebenheiten Verfahren zur Identifizierung kritischer Bauwerke Vorfilterung des Bauwerksbestandes Anwendung des Verfahrens Zusätzliche Schutzmaßnahmen Identifizierung kritischer Bauwerke Allgemeines Initialereignisse Brand Explosion Kontamination Wasser / Temperatur / Wind Szenarienentwicklung Ermittlung der Eingangsgrößen Eingangsgrößen für das Bauwerk Eingangsgrößen für Nutzer Eingangsgrößen für Verkehr Eingangsgrößen für sonstige Faktoren Synthese der Eingangsgrößen Bewertungshintergrund Bauwerk Bewertungshintergrund Nutzer Bewertungshintergrund Verkehr Synthese der Einzel- Beurteilungsgrößen Bewertung der Kritikalität Schutzmaßnahmen für Brücken und ihre Nutzer Allgemeines Empfehlungen für Bauwerkseigentümer Empfehlungen zur Maßnahmenanwendung Empfehlungen zur Vorgehensweise bei der Maßnahmenanwendung Empfehlungen zur schnellen Wiederinbetriebnahme Empfehlungen zur Maßnahmenanwendung für Betreiber und Einsatzdienste Empfehlungen für Betreiber Empfehlungen für Einsatzdienste Empfehlungen für Nutzer Schutzmaßnahmen für Tunnel und ihre Nutzer Allgemeines Empfehlungen für Bauwerkseigentümer Empfehlungen zur Maßnahmenanwendung Empfehlungen zur Vorgehensweise bei der Maßnahmenanwendung Empfehlungen zur schnellen Wiederinbetriebnahme Empfehlungen zur Maßnahmenanwendung für Betreiber, Einsatzdienste und Nutzer Empfehlungen für Betreiber Empfehlungen für Betriebs- und Einsatzdienste - Leitfaden Ereignismanagement Empfehlungen für Nutzer Szenarienabläufe aus Sicht von Operatoren, Einsatzdiensten und Nutzern Maßnahmenkosten Lebenszykluskosten Wirksamkeits-Kosten-Analyse Allgemeines Berücksichtigte Wirkungen Programmtechnische Umsetzung Beispielanwendung Fazit Zusammenfassung...70

4 3 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 8 Fazit und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang 1: Schutzmaßnahmen für Brücken Anhang 2: Schutzmaßnahmen für Tunnel

5 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 4 1 Einleitung 1.1 Allgemeines Brücken- und Tunnelbauwerke sind wichtige Elemente des bundesdeutschen Fernstraßennetzes. Durch ihre Verbindungsfunktion schaffen sie die Voraussetzung für individuelle Mobilität und die Versorgung von Privathaushalten und Wirtschaft. Zudem stellen sie einen bedeutenden volkswirtschaftlichen Vermögenswert dar. Die Beschädigung oder gar der vollständige Verlust bestimmter Bauwerke, wie beispielsweise von Brücken über die wichtigen Rheinquerungen oder von Tunnelbauwerken unter Flüssen, durch einen terroristischen Anschlag, einen Großunfall oder eine Naturkatastrophe ziehen daher durch hohe Wiederherstellungskosten und lange Ausfallzeiten einen beträchtlichen volkswirtschaftlichen Schaden nach sich. Schon der Ausfall eines Bauwerks kann aufgrund der in der Regel geographisch bedingten Flaschenhalsfunktion von Brücken und Tunneln zu einer massiven Beeinträchtigung der Netzkapazität führen. Zudem wird eine große Anzahl von Bauwerksnutzern während des Ereignisses einer großen Gefahr ausgesetzt (z.b. befinden sich in einer Röhre des Elbtunnels bei Stau ca. 500 Fahrzeuge). Dem nachhaltigen Schutz des Bauwerksbestandes von derzeit rund 240 Tunneln und Brücken kommt daher im Hinblick auf die Effizienz unserer Infrastruktur und damit den Wohlstand unserer Gesellschaft eine hohe Bedeutung zu. 1.2 Zielsetzung Ziel des Verbundprojektes SKRIBT ist es, für Brücken- und Tunnelbauwerke im Zuge von Straßen die möglichen Gefährdungen im Hinblick auf die aktuelle und künftige Bedrohungslagen festzustellen, wirksame Schutzmaßnahmen zu erarbeiten und damit die Verletzbarkeit lebenswichtiger Infrastrukturen und ihrer Nutzer deutlich zu verringern. Das Projekt konzentriert sich hierbei auf Verkehrsinfrastrukturen im Zuge von Straßen. Die Ergebnisse können aber in begrenztem Umfang auch auf empfindliche Infrastrukturen anderer Verkehrsträger (Schiene, ÖPNV) übertragen werden. 1.3 Vorgehensweise Zunächst wurden die maßgebenden Bedrohungsszenarien für Brücken und Tunnel anhand einer umfassenden Bedrohungsanalyse erarbeitet. Verfolgt wurde ein All Hazard - Ansatz, das heißt, alle denkbaren natürlichen und vom Menschen ausgehenden Bedrohungen wurden berücksichtigt. Hierauf aufbauend wurden die für Brücken- und Tunnelbauwerke im Zuge von Straßen maßgebenden Szenarien entwickelt. Auf Grundlage dieser Bedrohungsszenarien wurde ein Verfahren zur Identifikation kritischer Bauwerke in Bezug auf deren zivile Sicherheit entwickelt. Es wurden maßgebende Kriterien erarbeitet, anhand derer ein Bauwerk als kritisch eingestuft werden kann. Hierzu wurden die Art und Größe möglicher Einwirkungen aus den relevanten Szenarien sowie ihre schädigende Wirkung auf Bauwerk, Nutzer und Verkehr ermittelt. Zum Schutz von als kritisch eingestuften Bauwerken wurden Maßnahmenkataloge, bestehend aus 18 Schutzmaßnahmen für Brücken und 27 Schutzmaßnahmen für Tunnel, erarbeitet. Es wurden sowohl präventive als auch ausmaßmindernde Maßnahmen entwickelt und alle Aspekte des Bauwerks, nämlich Bautechnik, Betriebs- und Sicherheitstechnik sowie Organisation der Betriebs- und Einsatzdienste betrachtet. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieuren und Psychologen wurde auch das menschliche Verhalten für die Ableitung von Schutzmaßnahmen berücksichtigt. Weiter wurden die Investitions- und Unterhaltskosten sowie die Lebensdauer der Maßnahmen abgeschätzt. Dies erfolgte zum einen, um privaten Investoren (PPP-Modellen) eine Orientierung zu bieten, welche Zusatzkosten bei zusätzlich gesicherten Bauweisen anzusetzen sind, zum anderen können so Wirkungen und Kosten unterschiedlicher Maßnahmen für dieselbe Bedrohung gegenübergestellt und Rückschlüsse auf ihre Effizienz gezogen werden. Dieser Intention entsprechend wurde ein anwenderfreundliches Bewertungstool entwickelt, das den Straßenbauverwaltungen der Länder sowie privaten Betreibern zur Verfügung gestellt werden soll. Auch die volkswirtschaftlichen Auswirkungen, die durch den Verlust oder temporären Ausfall kritischer Infrastrukturen entstehen können, wurden hier einbezogen. Die Ergebnisse der Wirksamkeitsuntersuchungen sind Grundlage für die im Weiteren ausgesprochenen Maßnahmenempfehlungen. Neben innovativen Sicherheitslösungen für Eigentümer, Betreiber, Nutzer und Einsatzdienste stehen auch Lösungen zur Minimierung der gesellschaftlichen Auswirkungen im Schadensfall im Vordergrund.

6 5 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 2 Sicherheitstechnische Untersuchung von Bauwerken 2.1 Allgemeines Das folgende Kapitel beschreibt den im Rahmen von SKRIBT entwickelten ganzheitlichen methodischen Ansatz zur sicherheitstechnischen Untersuchung eines oder mehrerer Verkehrsinfrastrukturbauwerke. Beabsichtigt z. B. ein Bauwerkseigentümer, seinen Bauwerksbestand, bestehend aus Brücken und Tunneln, einer sicherheitstechnischen Untersuchung zu unterziehen, so wird empfohlen, dieses nach der im Folgenden näher beschriebenen Methodik durchzuführen. Das Ergebnis ist eine Beurteilung der Bauwerke für bestimmte Bedrohungen sowie eine Empfehlung zum Einsatz geeigneter Schutzmaßnahmen zur Reduzierung der Verletzbarkeit lebenswichtiger Straßeninfrastrukturen sowie ihrer Nutzer. Zu Beginn ist eine Bedrohungsanalyse durchzuführen, bei der alle relevanten Bedrohungen bestimmt und beschrieben werden. Im Rahmen der anschließenden Objektanalyse werden die aus den Bedrohungen resultierenden Einwirkungen den Widerständen der Bauwerke gegenüber gestellt. Hierbei werden bauwerks-, nutzer- und verkehrsbezogene Parameter betrachtet. In einem letzten Schritt erfolgt die Auswahl von geeigneten Schutzmaßnahmen, die zuvor hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und ihres Wirksamkeits-Kosten- Verhältnisses unter den objektspezifischen Randbedingungen zu untersuchen sind. Die Dokumentation der verschiedenen Themenkomplexe erfolgte in insgesamt 14 Einzelberichten zuzüglich dieses Schlussberichts. Die Zuweisung der Teilberichte zu den einzelnen Schritten der Methodik ist Abbildung 2 zu entnehmen und dient als Hinweis, in welchen Berichten vertiefte Informationen vorgehalten werden. Auf einzelne Verweise wird wegen der Vielzahl der Einzelberichte im Folgenden verzichtet. 2.2 Vorgehensweise Eine sicherheitstechnische Untersuchung strukturiert sich gemäß Abbildung 1 in drei Schritte: Methodik zur sicherheitstechnischen Untersuchung von Bauwerken Bedrohungsanalyse Objektanalyse Maßnahmen Abbildung 1: Methodik von SKRIBT Abbildung 2: Zuweisung der Teilberichte

7 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Bedrohungsanalyse Allgemeines Zu Beginn einer sicherheitstechnischen Untersuchung von Brücken und Tunneln sind alle relevanten Bedrohungen zu berücksichtigen. Dazu werden entsprechend dem Vorgehen in der Bedrohungsanalyse, einem ganzheitlichen Ansatz folgend, die möglichen Gefahren ausführlich beschrieben und die daraus resultierenden möglichen Gefährdungen für Brücken- und Tunnelbauwerke, ihre Nutzer sowie die Betriebs- und Einsatzdienste identifiziert. Betrachtet werden Bedrohungen durch terroristische oder kriminelle Aktivitäten, Gefahren durch extreme Naturereignisse wie Sturm, Hochwasser oder Massenbewegungen sowie durch menschliches oder technisches Versagen ausgelöste Großunfälle. In Abhängigkeit der Prioritätensetzung ist die Beschränkung auf bestimmte Bedrohungen möglich. Im Rahmen des Projekts wurde jedoch der zuvor beschriebene ganzheitliche Ansatz verfolgt und wird auch zur Anwendung empfohlen Terrorismus und kriminelle Handlungen Bezeichnend für die Vorgehensweise des politisch oder ideologisch motivierten Terrorismus sind spektakuläre und opferreiche Anschläge zur Erregung der öffentlichen Aufmerksamkeit. Ziel ist die Erzeugung von Angst und gesellschaftlicher Verunsicherung. Die Mittel bei terroristischen Anschlägen reichen vom Einsatz konventioneller Sprengstoffe bis hin zum Einsatz chemischer oder biologischer Agenzien. Theoretisch denkbar ist auch der Einsatz so genannter dirty bombs (konventioneller Sprengkörper mit radioaktiv strahlendem Material). Ein weites Betätigungsfeld für kriminelle Aktivitäten stellt insbesondere die virtuelle Welt dar, d.h. die Möglichkeit des Eingriffs in Informations- und Kommunikationssysteme durch Virenangriffe sowie spezielle Schadprogramme ( Cyber-Terror ). Inwieweit bislang Brücken und Tunnel als mögliche Anschlagsziele für Terroristen in Frage kommen können, wurde durch die Auswertung der Datenbank Terror Event Database (TED) [1], in welcher terroristische Anschläge weltweit dokumentiert sind, näher untersucht. Es zeigte sich, dass sich weltweit nur wenige terroristische Ereignisse an Brücken und Tunneln ereignet haben, so dass eine statistische Aussage zur Risikoabschätzung nicht möglich ist Extreme Naturereignisse Laut Angaben der Versicherungswirtschaft resultieren Elementarschäden in Deutschland zum größten Teil aus meteorologischen Extremereignissen. Hierzu zählen Ereignisse wie Starkregen mit der Folge von Überschwemmungen, Sturmfluten, Schnee, Eis, Dürre sowie Sturm. Klimaforscher sagen voraus, dass im Zuge der fortschreitenden globalen Klimaerwärmung die Häufigkeiten an auftretenden Wetterextremen zukünftig zunehmen werden. Nach bisherigen Erkenntnissen wird sich der Klimawandel in Deutschland durch Meeresspiegelanstieg, Gletscherschmelze und andere Phänomene wie Hitzewellen, Stürme, Starkniederschläge und Hochwasser an den Flüssen äußern [2]. Daher gewinnen Maßnahmen zur Anpassung an die erhöhte Auftretenswahrscheinlichkeit von Extremereignissen aus den Folgen des Klimawandels daher zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen des Projekts wurden Extreme folgender Naturereignisse betrachtet: Sturm Hochwasser Schneefall, Frost Hitze Flächenbrände Lawinen, Hangrutschung Erdbeben Epidemie / Pandemie Die Auswirkungen dieser Naturereignisse wurden jeweils getrennt untersucht. Für die Bemessung von Brücken wurden zusätzlich Kombinationen verschiedener gleichzeitig auftretender Ereignisse betrachtet Menschliches / Technisches Versagen Die relevanten unfallauslösenden Ereignisse durch menschliches und / oder technisches Versagen im Zusammenhang mit Ingenieurbauwerken im deutschen Straßennetz sind: Fahrzeugkollisionen entweder mit anderen Fahrzeugen oder mit dem Bauwerk ohne Freisetzung von Gefahrstoffen Brände aufgrund von Kollisionen von Fahrzeugen oder technischen Defekten an Fahrzeugen bzw. ortsfesten Anlagen ohne Freisetzung von Gefahrstoffen Unfälle von gefahrguttransportierendem Schwerlastverkehr unter Freisetzung von festen, flüssigen bzw. gasförmigen Gefahrstoffen oder Brände. Die Kollisionshäufigkeit wird in Tunneln maßgeblich durch den Tunneltyp (Richtungs- bzw. Gegen-

8 7 Schutz kritischer Brücken und Tunnel verkehrstunnel) und die Tunnellänge sowie durch die Verkehrsstärke und das Vorhandensein von Zu- und Abfahrten beeinflusst. Zwischen Unfällen auf freier Strecke und Unfällen auf Brücken wird in der Unfallaufnahme zurzeit noch nicht in einer standardisierten Vorgehensweise unterschieden. Eine statistische Auswertung gestaltet sich demnach schwierig und Erkenntnisse über Unfallhäufigkeiten auf Brücken sind dementsprechend gering. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass sich parallel (kollisionsauslösende) bzw. unmittelbar nach der Kollision (kollisionsresultierende) auftretende Brandereignisse oder Explosionen drastisch verstärkend auf die Effekte einer Kollision auswirken können (siehe z. B. Unfall auf der Wiehltalbrücke [D] am ). Die Erfahrung mit Häufigkeiten von Bränden in Straßentunneln hat gezeigt, dass es sich insgesamt um recht seltene Ereignisse handelt, die in erster Linie als Folge eines technischen Defekts (z. B. Motorbrand) auftreten. Neben den möglichen Auswirkungen eines Fahrzeugunfalls mit Gefahrgut auf Bauwerk und Nutzer durch Kollision und Brand sind ggfls. zusätzlich die Auswirkungen einer Kontamination durch freiwerdende feste, flüssige oder gasförmige Stoffe sowohl mit kurzzeitigen Effekten in Bezug auf Rettungsmaßnahmen als auch mit langzeitigen Effekten in Bezug auf die weitere Nutzbarkeit des Bauwerks zu beachten. 2.4 Objektanalyse Allgemeines Nach Analyse der Bedrohungen sind die resultierenden Einwirkungen den Widerständen der Bauwerke gegenüberzustellen. Dabei sind alle objektspezifischen Eigenschaften zu berücksichtigen. Tunnelbauwerke weisen in ihrer Gestaltung eine Vielfalt auf, die bei Brücken noch sehr viel stärker ausgeprägt ist. Deshalb kann die Beurteilung von Brücken und Tunneln nur abhängig von verschiedenen Merkmalen, wie z. B. dem statischen System oder den verwendeten Werkstoffen erfolgen. Ebenso kann ein Bauwerk auf bestimmte Einwirkungen empfindlich, auf andere dagegen weniger empfindlich reagieren. Also muss auch zwischen den verschiedenen Bedrohungsarten unterschieden und die relevanten für ein bestimmtes Bauwerk ermittelt werden. Um eine belastbare Aussage über die Vulnerabilität von Bauwerken treffen zu können, sind in den meisten Fällen aufwendige numerische Berechnungen notwendig. Allerdings sind diese aufgrund der zahlreichen Kombinationen von Brückentypen und Bedrohungsszenarien nur begrenzt möglich. Die Auswahl der zu untersuchenden Szenarien und Bauwerkstypen wurde im Rahmen des Projekts so getroffen, dass zum einen der entstehende Rechenaufwand noch vertretbar ist, zum anderen aber die relevanten Einwirkungs- und Bedrohungsszenarien erfasst und der Großteil der Bauwerke des deutschen Straßennetzes abgebildet wird. Soll ein bestehender Bauwerksbestand untersucht werden, wird es jedoch erforderlich, jedes Einzelbauwerk genau zu betrachten. Die verschiedenen bautechnischen Einflüsse sollten exakt erfasst werden, um eine verlässliche Individualbetrachtung zu ermöglichen. Hierbei werden folgende Schritte systematisch durchlaufen: Analyse der verschiedenen Bedrohungsszenarien hinsichtlich ihrer Relevanz für die spezifischen Bauwerkstypen Analyse der Bauwerkstypen hinsichtlich der kritischen Bauteile mit Versagensrelevanz für das Gesamtbauwerk Ermittlung der szenariospezifischen Schädigung auf Bauteilebene und Extrapolation dieser Bauteilschädigung im Hinblick auf das Gesamtbauwerk. Weiter sind bei der Objektanalyse die Auswirkungen der Bedrohungen auf die Brücken- und Tunnelnutzer zu betrachten. Dies erfordert Verfahren und Methoden, die es erlauben, unter dem Einfluss verschiedener Bedrohungsszenarien Sicherheitsniveaus für Brücken und Tunneln unter Berücksichtigung der Belange von Bauwerksnutzern sowie der Betriebs- und Einsatzdienste zu ermitteln. Im Rahmen des Projekts wurden solche Verfahren und Methoden entwickelt, die in transparenter Weise sowohl Systemantworten als auch menschliches Verhalten abbilden können und als Basis für eine spätere Identifizierung kritischer Tunnel- und Brückenbauwerke dienen. Ein weiterer Aspekt der Objektanalyse sind die Auswirkungen eines möglichen Bauwerksausfalls auf das umliegende Verkehrsnetz. Hier stellen die Mehrreisezeiten, die aus einem reduzierten Straßennutzungsangebot sowie den verfügbaren Alternativrouten mit ihren Kapazitäten und der aktuell gegebenen Nachfrage resultieren, die adäquate Größe dar, um die Kritikalität in verkehrlicher Hinsicht zu beschreiben. Im Projekt SKRIBT wurde dazu eine detaillierte Herleitung des Berechnungsverfahrens durchgeführt. Es wurden Ergebnisse für eine Gesamtheit von ca. 150 Bauwerken ermittelt. Durch die Vielzahl der Berechnungen können für entsprechende Häufigkeitsverteilungen das Kritikalitätsmaß gesetzt und damit kritische Bauwerke in verkehrlicher Hinsicht bestimmt werden.

9 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Relevante Ereignisse Die im Rahmen der Bedrohungsanalyse identifizierten Initialereignisse gem. Kapitel 2.3 wurden hinsichtlich ihrer Relevanz untersucht und ausgewählt. In SKRIBT sind für Brücken und Tunnel die in Tabelle 1 aufgeführten Initialereignisse als relevant identifiziert worden. Ereigniskategorie Brand Initialereignis Kontinuierlicher Lachenbrand Spontaner Lachenbrand Freistrahlbrand Explosion Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (BLEVE) Kontamination Wasser / Temperatur / Wind Mechanische Ereignisse Tabelle 1: Detonation Lkw-Ladung Detonation Pkw-Ladung Detonation Koffer-Ladung Kontinuierliche Kontamination Spontane Kontamination Überflutung Windeinfluss Lkw-Anprall Relevante Initialereignisse für Brücken und Tunnel Generell haben für Tunnel Brandereignisse eine höhere Relevanz als für Brücken, da durch den umschlossenen Raum die Temperaturen höher sind als bei Brücken und der Rauch nicht direkt entweichen kann, weshalb er sich im Brandumfeld ausbreitet. Die Initialereignisse bilden die Grundlage für mögliche Bedrohungsszenarien für Tunnel und Brücken, die direkt betroffenen Bauwerksnutzer und das verkehrliche Umfeld. Die Betrachtung dieser Gruppen dient der ganzheitlichen Beurteilung eines Verkehrsbauwerks Analyse der Resttragfähigkeit Allgemeines Zur Bestimmung der Resttragfähigkeit ist zunächst das lokale Schadensausmaß an den von der Einwirkung unmittelbar betroffenen Bauteile zu bestimmen. Für die Untersuchung der relevanten Bauteile wurden in einem ersten Schritt für die spätere Beurteilung der Schadensauswirkung die erforderlichen Schadensklassen entsprechend Tabelle 2 definiert. In Anlehnung an existierende Definitionen erfolgt eine Unterteilung in fünf Stufen vom praktisch ungeschädigten bis zum völlig zerstörten Bauwerk. Speziell für Explosionsszenarien besteht noch eine weitere Schadensklassifizierung. Basierend auf den Schädigungsparametern bei Detonationen im Nahbereich werden 5 Klassen vorgeschlagen, die verbal die jeweilige Strukturschädigungen auf Bauteilebene beschreiben. Nachdem die lokalen Schäden bestimmt sind, ist zu ermitteln, welche Auswirkungen diese Schäden auf das Gesamttragverhalten eines Bauwerks haben. Dieses bedarf einer individuellen Betrachtung und wurde im Projekt SKRIBT sowohl für Brücken als auch für Tunnel durchgeführt Brücken Für eine risikoanalytische Betrachtung von Brücken sind in einem ersten Schritt die Schwachstellen zu identifizieren, um auf dieser Basis eine Einstufung der Bauteile und Bauwerke in die Schadensstufen entsprechend Tabelle 2 vornehmen zu können. Die Ergebnisse des Einstufungsverfahrens wurden bei den Brücken mittels Zuverlässigkeitsanalyse an ausgewählten Beispielen verifiziert. Unter Anwendung der Monte Carlo Methode wurden aufwändige Simulationen durchgeführt um für verschiedene Bedrohungsszenarien die operative Versagenswahrscheinlichkeit des Bauwerks zu ermitteln. Für eine fundierte Bauwerksbeurteilung ist eine individuelle Untersuchung jedes Bauwerks erforderlich. Beabsichtigt man, einen größeren Bauwerksbestand zu beurteilen, empfiehlt sich auf Grund der Vielzahl an unterschiedlichen Bauwerkstypen, Querschnitten und Materialien eine Kategorisierung entsprechend Tabelle 3 vorzunehmen, um den Berechnungsaufwand ggfls. reduzieren zu können.

10 9 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Schadensst ufen SKRIBT Definition Bescheibung Bescheibung Bescheibung Schadensfolge Geringer Schaden Leichter Schaden Mittlerer Schaden EMI (explosionsbezogen) Feine Rissbildung Bauteilebene Kraterbildung Vorderseite Abplatzung bis Bewehrung Rückseite Sprengkrater Vorderseite Teilzertrümmerung bis gewisse Bauteiltiefe, starke Abplatzung Rückseite Bauteil nahezu unbeschädigt kein Einfluß auf Standsicherheit kein Einfluß auf Verkehrssicherheit kein Einfluß auf Dauerhaftigkeit; Schadensbeseitigung im Rahmen regulärer Bauwerksunterhaltung Bauteil leicht beschädigt Standsicherheit des Bauteils im Rahmen zulässiger Toleranzen beeinträchtigt geringer Einfluß auf Verkehrssicherheit lokale Baustelle ohne nennenswerte Verkehrsbehinderung Dauerhaftigkeit Bauteil beeinträchtigt, Folgeschaden anderer Bauteile nicht zu erwarten Schadensbeseitigung im Rahmen regulärer Bauwerksunterhaltung Bauteil beschädigt Standsicherheit des Bauteils noch im Rahmen zulässiger Toleranzen beeinträchtigt, im Einzelfall darüber geringfügige Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit Baustelle mit geringer Verkehrsbehinderung Dauerhaftigkeit Bauteil beeinträchtigt Folgeschaden anderer Bauteile nicht auszuschließen Schadensbeseitigung mittelfristig erforderlich RI-EBW-Prüf Bauwerk unbeschädigt kein Einfluss auf Standsicherheit kein Einfluß auf Verkehrssicherheit kein Einfluß auf Dauerhaftigkeit Bauwerk nahezu unbeschädigt kein Einfluß auf Standsicherheit geringer Einfluß auf Verkehrssicherheit langfristig nur geringer Einfluß auf Dauerhaftigkeit Schadensausbreitung nicht zu erwarten Bauwerk leicht beschädigt geringer Einfluß auf Standsicherheit geringfügige Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit/ Verkehrssicherheit noch gegeben langfristig Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit Schadensausbreitung nicht auszuschließen Bauwerksebene Sehr niedrig Niedrig Mittel Wahrscheinlichkeit > 0,1 0,01 0,001 (DIN EN ) Bauteil stark beschädigt Bauwerk beschädigt Kein Durchbruch Standsicherheit des Bauteils oberhalb zulässiger Toleranzen beeinträchtigt Beeinträchtigung der Standsicherheit 4 5 Schwerer Schaden Durchbruch örtich durchgehende Bauteilzertrümmerung, Beton wird durch Bewehrung gehalten Durchgehendes Sprengloch mit verbogener/ gerissener Bewehrung Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit, Baustelle mit Verkehrsbehinderung Dauerhaftigkeit Bauteil beeinträchtigt, Folgeschaden anderer Bauteile zu erwarten kurzfristige Schadensbeseitigung erforderlich Bauteil zerstört Standsicherheit des Bauteils nicht mehr gegeben Verkehrssicherheit nicht mehr gegeben, Baustelle mit starker Verkehrsbehinderung Dauerhaftigkeit Bauteil nicht mehr gegeben Folgeschaden an anderen Bauteilen tritt ein sofortige Schadensbeseitigung erforderlich Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit mittelfristig Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit Schadensausbreitung ist zu erwarten Umgehende Nutzungseinschränkung Bauwerk stark beschädigt / zerstört Standsicherheit nicht mehr gegeben Verkehrssicherheit nicht mehr gegeben, Warnhinweise sofort erforderlich Dauerhaftigkeit nicht mehr gegeben, Schadensausbreitung tritt ein Umgehende Nutzungseinschränkung, Erneuerung/ Instandsetzung einleiten Hoch Schwer 0,0001 0,00001 Tabelle 2: Schadensstufen Tabelle 3: Kategorisierung von Brückenbauwerken in SKRIBT

11 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 10 In SKRIBT wurden aus bautechnischer Sicht Brand, Explosion, extreme Naturereignisse und Anprall als maßgeblich erkannt und untersucht. Bei Explosionsereignissen sind Ladungsmenge und Ladungsabstand zum Bauteil für das Schadensausmaß entscheidend. Für die Untersuchung von Brandeinwirkung bei Stahlbetonbrücken stehen derzeit keine verifizierten Berechnungsmodelle zur Verfügung, so dass hier noch Forschungsbedarf besteht Tunnel Bei der Analyse der Resttragfähigkeit von Tunneln ist methodisch in gleicher Weise vorzugehen wie bei Brücken. Da die die maßgebenden Schwachstellen in Abhängigkeit von Beanspruchung und Bauweise differieren, ist eine Schwachstellenanalyse für jedes Initialereignis und jeden Tunnel gesondert durchzuführen. So ist beispielsweise bei Brandereignissen für Tunnel in offener Bauweise dem Anschlussbereich von Tunneldecke an die - wand besondere Aufmerksamkeit zu schenken, während bei Detonationsereignissen in Tunneln grundsätzlich die Unstetigkeitsstellen in der Tragstruktur wie z. B. Raum- oder Tübbingfugen zu untersuchen sind. Für Tunnel wurden aus bautechnischer Sicht im Wesentlichen die Initialereignisse Brand und Explosion als maßgeblich erkannt und untersucht. Auch hier sind bei Explosionseinwirkung grundsätzlich die Ladungsmenge und der Abstand der Ladung zum Bauteil von entscheidendem Einfluss auf das Schadensausmaß. Zur Bemessung des Bauwerks gegen Explosionslasten wurde die Methode der Traglastermittlung mit statischen Ersatzlasten genutzt. Sie liefert für die Zustandsbewertung eines komplexen gebetteten Tunnelquerschnitts im Vergleich mit genaueren strukturdynamischen Berechnungen qualitativ akzeptable Ergebnisse bei deutlich verringertem Aufwand, was die Untersuchung von Bauwerken vereinfacht und beschleunigt. Bei Brandereignissen ist darauf zu achten, dass die Temperatur der tragenden Bewehrung den Wert von 300 C nicht überschreitet, da bei einer Erwärmung über diesen Wert hinaus die Bewehrung hohe Dehnungen erfährt, wodurch die Konstruktion nach dem Erkalten unvertretbar hohe plastische Verformungen auf-weist Analyse der Nutzerbelange Im Zuge der Analyse der Nutzerbelange wird die Zahl der Getöteten als Indikator für das Schadensausmaß betrachtet. Hierzu wurden im Projekt SKRIBT spezielle Modelle und Verfahren entwickelt und angewandt. Dabei erfolgt die Bestimmung des jeweiligen Sicherheitsniveaus mittels der Methode der quantitativen Risikoanalyse, in der sowohl mögliche Schadensausmaße als auch deren Eintrittswahrscheinlichkeiten Berücksichtigung finden. Mit Hilfe von Ereignisabläufen werden ausgehend von einem auslösenden Ereignis über Verzweigungen mögliche Systemantworten bis zum Erreichen der Endzustände abgebildet und deren Eintrittswahrscheinlichkeiten ermittelt. Die zugehörigen Verzweigungswahrscheinlichkeiten im Ereignisablauf werden dann mittels Fehlerbaumanalysen oder Expertenschätzungen quantifiziert. Zur Ermittlung der mit den Eintrittswahrscheinlichkeiten der Endzustände korrespondierenden Schadensausmaße werden sowohl szenarioabhängige Einwirkgrößen wie Druck, Temperatur und Konzentrationen als auch deren Wirkung auf den Menschen mittels Modellrechnungen ermittelt. Wichtig für die Ermittlung des Schadensausmaßes ist die Berücksichtigung des menschlichen Verhaltens bei der Flucht vor einem Ereignis wie z. B. Brand in einem Tunnel. Dazu wurde im Projekt SKRIBT eine wahrnehmungs- und verhaltensbasierende Flucht- und Evakuierungssimulation entwickelt, wie sie exemplarisch in Abbildung 3 dargestellt ist. Die Untersuchungen zeigen, dass die gewählten Randbedingungen einen großen Einfluss auf die zu erwartenden Schadensausmaße haben können. Prinzipiell kann jedoch festgehalten werden, dass die Ereignisse mit Brand- und Explosionswirkung in Tunneln einen signifikant höheren Schadenserwartungswert aufweisen als im Freien auf einer Brücke. Lediglich Szenarien mit Chlorfreisetzung können vergleichbare Wirkungen in Tunneln und im Freien aufweisen. Einflüsse durch Sturm weisen im Vergleich zu den Freisetzungen mit Benzin, Propan, Chlor und TNT deutlich geringere Schadensausmaße auf. Abbildung 3: Visualisierung der Fluchtsimulation am Beispiel eines Szenarios mit Chlorfreisetzung

12 11 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Analyse der verkehrlichen Gegebenheiten Die verkehrlichen Auswirkungen beim Eintritt eines Extremereignisses sind ein wesentlicher Baustein zur Beurteilung der Kritikalität von Bauwerken. Dazu wurde im Projekt SKRIBT ein Verfahren entwickelt, das sich für eine größere Grundgesamtheit an Bauwerken eines regionalen Bereiches durchrechnen lässt und zu Verteilungen der Mehrreisezeiten führt. Die Untersuchungen wurden mittels eines Verkehrsmodells am Beispiel von Nordrhein-Westfalen durchgeführt. Als Maß der Kritikalität von Bauwerken werden die Mehrreisezeiten angesetzt, die durch die Voll- oder Teilsperrung von Netzelementen verursacht werden. Bei der Untersuchung sollten bestimmte Rahmenbedingungen Anwendung finden: Es werden nur absolute Veränderungen der Reisezeiten betrachtet. Dies ermöglicht die Vergleichbarkeit der Maßnahmen untereinander und die Übertragbarkeit in andere Regionen. Bei der Ermittlung der Mehrreisezeiten wird generell ein Korrekturfaktor mit einbezogen. Die Ausprägung der tageszeitlichen Belastungsschwankungen auf den einzelnen Bauwerken ist sehr unterschiedlich, dies wird durch den Korrekturfaktor berücksichtigt. Eine Differenzierung der Bauwerke nach Lage innerorts/außerorts ist sinnvoll, da sich die Höhe der Mehrreisezeiten deutlich unterscheidet. Die Netzdichte innerhalb von Ortschaften ist generell höher als außerhalb, weshalb bei Ausfall eines Bauwerks vermehrt kleinräumige Alternativrouten gesucht und gefunden werden. Bei betroffenen Netzelementen in Außerortslage sind oft größere Umwegfahrten in Kauf zu nehmen, die entsprechende Mehrreisezeiten mit sich bringen. Die Untersuchungen an 150 Bauwerken zeigen, dass sich diese hinsichtlich der Mehrreisezeiten und der daraus abgeleiteten Kritikalität deutlich voneinander unterscheiden. 2.5 Verfahren zur Identifizierung kritischer Bauwerke Vorfilterung des Bauwerksbestandes Um feststellen zu können, welche Bauwerke eine besondere Kritikalität aufweisen, wurde in SKRIBT ein Verfahren entwickelt, das erstmalig eine ganzheitliche Untersuchung nach verschiedenen Schadenskriterien ermöglicht, genaueres hierzu siehe Kap.3. Vor der detaillierten Einzelbewertung der Bauwerke sollte, insbesondere bei einem größeren Bauwerksbestand, zunächst eine Vorfilterung des Bauwerksbestandes erfolgen. In der Bundesrepublik Deutschland gibt es z. B. ca Brückenbauwerke im Zuge von Bundesfernstraßen. Um den Aufwand für das Filtern dieser großen Bauwerksanzahl auf ein sinnvolles Maß zu begrenzen, wird empfohlen, die neuralgischen Stellen im Straßennetz zu klären. Die verkehrsbezogene Objektanalyse im Rahmen von SKRIBT hat gezeigt, dass die volkswirtschaftlichen Folgekosten einer zerstörten Brücke infolge Energie-, Umwelt- und Verlustzeitkosten um ein vielfaches höher sind als die der eigentlichen Schadensbehebung am Objekt. Vor diesem Hintergrund sollte der Schwerpunkt auf hoch bis sehr hoch beanspruchte Netzabschnitte gelegt werden. Ein weiteres Kriterium ist die Erreichbarkeit wichtiger Infrastrukturen. So kann z. B. eine Brücke als einziger Zubringer zu einer Insel oder zu einem Flughafen hoher Bedeutung ein exponiertes Objekt darstellen. Auch die Symbolkraft eines Bauwerks ist zu berücksichtigen. Die genannten vorrangigen Suchkriterien werden ergänzt um die Identifizierung möglicher Redundanzen wie beispielsweise bei einer Brücke mit zwei getrennten Überbauten. Im Schadensfall können hier sehr schnell Verkehrsumleitungen über den noch intakten Überbau eingerichtet werden. Dies führt zu geringeren Behinderungen im Netz, so dass diese Bauwerke eher nachrangig betrachtet werden sollten. Das gleiche trifft bei Bauwerken zu, für die leistungsfähige Umleitungsmöglichkeiten bei einer Vollsperrung zur Verfügung stehen. Da alle Bauwerksdaten, z. B. der Brücken im Zuge von Bundesfernstraßen, im gleichnamigen Teilsystem der Straßeninformationsbank elektronisch zur Verfügung stehen und mit Netz- sowie Verkehrsdaten vernetzt werden können, liegt es nahe, diese existierenden Datenbanken elektronisch auszuwerten. Diese Suche kann im Rahmen des Projektes jedoch nicht automatisiert zur Verfügung gestellt werden und bleibt weiteren Forschungsvorhaben vorbehalten. Das Ziel muss sein, in Zukunft elektronische Suchroutinen für die Bauwerksdaten zur Verfügung zu haben, um die Bauwerke zu filtern Anwendung des Verfahrens Nach der oben beschriebenen Vorfilterung des Bauwerksbestandes sind die kritischen Bauwerke mit Hilfe des Verfahrens zur Identifizierung kritischer Bauwerke zu ermitteln. In den zuvor beschriebenen Kapiteln wurden die Bedrohungen und die daraus resultierenden Einwirkungen dargestellt. Diese wiederum erzeugen Schäden, die es zu beschreiben und zu bewerten gilt. Bauwerksschäden werden durch Schadensklassen und Wiederherstellungskosten beschrieben, für Nutzer wird der Schaden durch einen gewichteten

13 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 12 Risikoerwartungswert angegeben. Für den Verkehr wird ein volkswirtschaftlicher Schaden ermittelt und durch Mehrreisezeiten angegeben. Alle diese Grö- ßen haben Einfluss auf die Beurteilung der Kritika- lität von Bauwerken. Es bedarf nun einer Synthezusammengeführt und se, in der die drei Größen bewertet werden. Abbildung 4 zeigt die zugehörige Struktur dieses Verfahrens. Abbildung 4: Struktur des Identifizierungsverfahrens Im Rahmen der Synthese werden die differierenden Größen in ein Bewertungsschema überführt, dessen en skalare Größen für alle Eingangswerte adaptierbar sind. Aus den Schadensgrößen werden somit Bewertungsgrößen, die einen direkten Vergleich erlauben. Danach ist es möglich, für ein Bauwerk getrennt zu jedem Initialereignis einen Kritikalitätswert der einzelnen Bewertungsgruppen Bauwerk, Nutzer und Verkehr vorzunehmen. Diese Einzelbeurteilungen können im Rahmen des Verfahrens über Zwischenschritte zu einer so genannten gemittelten Gesamtkritikalität zusammengeführt werden. Die gemittelte Gesamtkritikalität spiegelt somit einen Mittelwert der Einzelbeurteilungen aller betrachteten Initialereignisse wieder. Eine absolute Bewertung der gemittelten Gesamtnoch nicht möglich, da im Rahmen der Projektbearbeitung die Festlegung kritikalität ist derzeit von Grenzwerten nicht möglich war. Hierzu bedarf es politischer oder gar gesellschaftspolitischer Abstimmungen und Vorgaben. Möglich ist aber eine Relativbewertung der Bauwerke untereinander. 2.6 Zusätzliche Schutzmaßnahmen Das zuvor beschriebene Identifizierungsverfahren weist die Kritikalität der Bauwerke aus. Es stellt sich nun die Frage, wie diese Kritikalität, falls erforderlich, verringert werden kann. Dies kann grundsätzlich durch den Einsatz von geeigneten Schutzmaßnahmen hmen erfolgen. Zunächst sollte geklärt werden, gegen welches Schadensereignis Zusatzmaßnahmen ergriffen fen und/oder ob ein Grundschutz umgesetzt werden soll. Letzterer ist ein Schutz gegen mehrere Ereignisse, deren In- tensität aber nicht mit der ungünstigsten Größe bedie Beantwortung der Frage, rücksichtigt wird. Für wer oder was und ggfls. wie stark durch Maßnahbedarf es einer Aussa- men geschützt werden soll, ge von Politik oder gar Gesellschaft, die entscheiwelche finanziellen Mittel sie zur Erhö- den muss, hung der zivilen Sicherheit von Verkehrsbauwerkann. Bei privat betriebenen Bauwerken stehen bei der Beantwortung dieser Frage neben den volkswirtschaftlichen Aspekten vor allem auch betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte (Absicherung der Einnahmen, Betrachtung der Lebenszykluskosten, langfristige Gewinnmaximierung, etc.) im ken aufbringen will und Vordergrund. Wenn feststeht, wogegen das Bauwerk geschützt werden soll, ist zu klären, ob es sich um ein Neuein bereits bestehendes Bauwerk bauprojekt oder handelt. Bei neuen Bauwerken ist das Angebot möglicher Schutzmaßnahmen größer als bei der Nachrüstung, da bestimmte Maßnahmen nachträgnicht mehr oder nur mit unvertretbar großem Aufwand umgesetzt werden können. Die möglichen Schutzmaßnahmen lich können bautechnischer, betriebstechnischer oder organisatorischer Art sein. Die Maßnahmen sollen dabei zum einen das Bauwerk und zum anderen die Nutzer vor extremen Ereignissen schützen. Darüber hinaus ist wichtig, in welcher Weise die Maßnahmen wirken. Dies kann durch die Reduzierung der Eintrittswahrdes Ereignisses geschehen oder durch die Minderung des Schadensausmaßes. Für scheinlichkeit die Entscheidung, welches geeignete Maßnahmen sind, sind unter Berücksichtigung der objektspezifischen Gegebenheiten deren Wirksamkeit und auch Wirtschaftlichkeit nachzuweisen. Ferner bedarf es einer gesellschaftlichen Akzeptanz, die eine ethische und rechtliche Absicherung bedingt. Im Rahmen des Projekts SKRIBT wurden in der Maßnahmenanalyse insgesamt 139 mögliche Schutzmaßnahmen identifiziert. Später wurden 45 davon ausgewählt und in der Wirksamkeitsanalyse von Maßnahmen vertieft betrachtet. Diese weiteren Betrachtungen en umfassten die Untersuchungen der Maßnahmenwirksamkeit sowie des volkswirtschaftlichen Nutzens. Letzteres erfolgte im Rahmen einer Wirksamkeits-Kosten-Analyse. In den Kapiteln 4 und 5 wird abschließend eine jeweilige Empfehlung zum Einsatz der 45 Schutzmaßnahmen geerlauben einen guten geben. Diese Empfehlungen Überblick, dennoch ist die Auswahl immer im Einobjektbezogen zu zelfall und treffen.

14 13 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 3 Identifizierung kritischer Bauwerke 3.1 Allgemeines Das in Kapitel 2.5 bereits angesprochene Verfahren zur Identifizierung kritischer Bauwerke dient der Bestimmung der Kritikalität eines Bauwerks in Bezug auf dessen zivile Sicherheit, d.h. es soll unter Berücksichtigung der Eintrittswahrscheinlichkeit Bauwerke identifizieren, bei denen infolge von Extremereignissen hohe Schadensausmaße möglich sind. Es richtet sich an Personen, die eine sicherheitstechnische Überprüfung von Bauwerken vornehmem wollen, wie z. B. die Bauwerkseigentümer. Das Identifizierungsverfahren kann sowohl im Vorfeld eines Bauwerksneubaus als auch auf bestehende Bauwerke angewendet werden. Es erlaubt die individuelle Betrachtung eines einzelnen Verkehrsbauwerks in seinem jeweiligen Umfeld unter Berücksichtigung der objekt- und netzspezifischen Randbedingungen. Eine absolute Bewertung der gemittelten Gesamtkritikalität ist derzeit nicht möglich, da im Rahmen der Projektbearbeitung keine Grenzwerte festgelegt wurden. Hierzu bedarf es eines gesellschaftspolitischen Konsens. Möglich ist allerdings eine Relativbewertung der Bauwerke untereinander. Die Notwendigkeit, kritische Bauwerke zu identifizieren, besteht in vielen Zuständigkeitsbereichen. Bauwerkseigentümer, Bauwerksbetreiber, Bauwerksplaner, Einsatzdienste u.v.m. sollen Informationen über den Status der zivilen Sicherheit des jeweiligen Bauwerks nutzen können. Die unterschiedlichen Blickwinkel dieser Institutionen verbunden mit unterschiedlichen Schwerpunkten in der Bestimmung der Kritikalität finden sich im Identifizierungsverfahren wieder. Im Folgenden werden das Identifizierungsverfahren und seine Anwendung bei Tunneln zusammenfassend erläutert. Zu den theoretischen Grundlagen und der Anwendung bei Brücken wird auf den entsprechenden Bericht Objektanalyse - Identifizierung kritischer Bauwerke [3] verwiesen. 3.2 Initialereignisse Zur Beurteilung der Kritikalität ist Wissen über die Wirkungen möglicher Ereignisse auf die Zielgrößen Bauwerk, Nutzer und Verkehr in der zivilen Sicherheit von Bauwerken im Zuge von Straßen eine grundlegende Voraussetzung. Daher wurden zunächst verschiedene Initialereignisse definiert, die auf den Erkenntnissen der Bedrohungsanalyse (s. Kap. 2.3 beruhen. Im Rahmen dieser Bedrohungsanalyse wurden die Ereigniskategorien Brand, Explosion, Kontamination sowie Naturereignisse als relevant identifiziert. Mechanische Einwirkungen besitzen unter Beachtung des Risikoansatzes (Eintrittswahrscheinlichkeit Ausmaß) eine vergleichsweise geringere Relevanz und werden dementsprechend im Rahmen dieses Verfahrens nicht weiter betrachtet. Die folgenden Initialereignisse bilden die Ausgangspunkte für die Entwicklung der maßgebenden Szenarien und damit für die Ermittlung der Eingangswerte in das Identifizierungsverfahren Brand Generell besteht bei Bränden ein großes Ausbreitungspotential und damit eine große Gefahr, dass es zu einem Brandüberschlag auf weitere Fahrzeuge und Anlagenteile des Verkehrsbauwerks kommen kann. Im Tunnel würde ein Brandüberschlag den Verlauf der folgenden Ereignisse sowie den anzunehmenden Temperatur-Zeit-Verlauf und damit die Auswirkungen auf das Tunnelbauwerk verändern. Deshalb ist für Tunnelbauwerke eine Unterscheidung in Initialbrände ohne Brandüberschlag und mit Brandüberschlag vorzunehmen. Die Initialereignisse in der Ereigniskategorie Brand sind: Kontinuierlicher Lachenbrand (ohne / mit Brandüberschlag) Ein Lachenbrand kann durch menschliches / technisches Versagen oder durch Terrorismus bzw. andere kriminelle Handlungen ausgelöst werden. Aus einem Tankwagen tritt kontinuierlich Benzin aus und entzündet sich sofort. Auf bzw. in einem Bauwerk verteilt sich die sich bildende Benzinlache in Abhängigkeit der örtlichen Gegebenheiten (z. B. Gefälle) und brennt unter Rauch- und Hitzebildung ab. Der Leitstoff Benzin steht hierbei stellvertretend für alle in Deutschland transportierten brennbaren Flüssigkeiten. Spontaner Lachenbrand (ohne / mit Brandüberschlag) Im Vergleich zum kontinuierlichen Lachenbrand tritt der Leitstoff Benzin beim spontanen Lachenbrand mit einer wesentlich höheren Freisetzungsrate aus dem Tankwagen aus. Die auslösenden Ereignisse sind denen des Initialereignisses Kontinuierlicher Lachenbrand ähnlich, erzeugen aber einen wesentlich größeren Schaden am Tankfahrzeug und somit eine rund 15-mal größere Freisetzungsrate. Das Benzin brennt direkt unter großer Hitze- und Rauchentwicklung ab. Freistrahlbrand (ohne / mit Brandüberschlag) Der Freistrahlbrand wird im Gegensatz zu den Lachenbränden nicht durch einen flüssigen, sondern

15 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 14 durch einen gasförmigen Brennstoff verursacht. Der Leitstoff Propan steht dabei stellvertretend für alle in Deutschland auf der Straße transportierten hochentzündlichen Gase. Das druckverflüssigt in Tanks/Flaschen transportierte Gas wird infolge vorsätzlicher krimineller Handlungen (z. B. infolge eines terroristischen Anschlags) oder aufgrund von menschlichem / technischem Versagen (z. B. Unfall) freigesetzt, sofort entzündet und brennt unter großer lokaler Hitzeentwicklung in Form einer Stichflamme ab Explosion Die Initialereignisse in der Ereigniskategorie Explosion sind: Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (BLEVE) Der BLEVE ist aufgrund seiner Charakteristik und seiner Wirkungsweise als Initialereignis im Grenzbereich zwischen den Ereigniskategorien Brand und Explosion einzuordnen. In seinem Verlauf kommt es zunächst aufgrund von menschlichem / technischem Versagen oder durch Terrorismus bzw. andere kriminelle Handlungen zur Beschädigung eines Tankwagens, der den hochentzündlichen Leitstoff Propan transportiert. Durch das so entstandene Leck tritt spontan gasförmiges Propan aus, entzündet sich und brennt zunächst ruhig ab. In dieser Phase ähnelt der BLEVE den zuvor beschriebenen Bränden. Durch die Erhitzung des Tanks beginnt allerdings in der Folge das im Tank enthaltene Propan zu verdampfen und erhöht kontinuierlich den Tankinnendruck. Der Druck steigt an bis die von der Hitze geschwächten Tankwände spontan bersten. Es tritt daraufhin eine große Menge Gas aus, die sich entzündet und eine gewaltige Explosion verursacht. Der so entstehende Feuerball enthält brennende Bestandteile in gasförmiger sowie in flüssiger Form. Detonation Lkw-Ladung Detonation Pkw-Ladung Detonation Koffer-Ladung Die Detonations-Initialereignisse sind Ausgangspunkt für die Entwicklung klassischer Explosionsszenarien, deren Wirkungsweise in erster Linie durch eine stark exotherme Reaktion des Explosivstoffes und den resultierenden Druck der Detonation geprägt ist. Der Leitstoff in diesen Initialereignissen ist Trinitrotoluol (TNT), der durch eine vorsätzlich begangene, kriminelle Handlung, z. B. im Rahmen eines terroristischen Akts, aktiviert wird. Dazu wird im Fall des Initialereignisses Detonation Lkw-Ladung eine große Menge, im Fall des Initialereignisses Detonation Pkw-Ladung eine mittlere Menge TNT durch ein geeignetes Transportfahrzeug an den Ereignisort gebracht, platziert und gezündet. Im Fall des Initialereignisses Detonation Koffer-Ladung wird davon ausgegangen, dass eine kleine Menge TNT durch ein Fahrzeug oder auf anderem Wege an bzw. in das Verkehrsbauwerk gebracht wird. Die kleinere Menge TNT ermöglicht im Vergleich zu den größeren Mengen einen geringeren Abstand zum anvisierten Schadensort. Durch diese Unterscheidung in den Detonations-Initialereignissen können die Einflüsse der entscheidenden Einflussparameter Abstand zum Schadensort und Ladungsmenge auf die Wirkung einer Explosion entsprechend berücksichtigt werden. Der Leitstoff TNT steht hier stellvertretend für alle möglichen Explosivstoffe Kontamination Die Initialereignisse in der Ereigniskategorie Kontamination sind: Kontinuierliche Kontamination Spontane Kontamination Die Kontamination der Zielgrößen Bauwerk, Nutzer und Verkehr kann durch die Einwirkung von chemischen, biologischen, radiologischen oder nuklearen (CBRN-) Gefahrstoffen geschehen. Der ausgewählte Leitstoff in diesen Initialereignissen ist Chlor. Chlor steht dabei stellvertretend für alle in Deutschland auf Straßen transportierten Schwergase mit Schadwirkung auf Bauwerke und Nutzer. Er wird infolge einer terroristischen bzw. anderen kriminellen Handlung oder durch menschliches / technisches Versagen (hier: schwerer Unfall) in großer Menge freigesetzt und breitet sich in Abhängigkeit von den Umgebungsrandbedingungen aus. Der entscheidende Unterschied zwischen den oben genannten beiden maßgebenden Kontaminations-Initialereignissen liegt in der Freisetzungsrate: Im Initialereignis Spontane Kontamination wird im Vergleich zur kontinuierlichen Kontamination eine rund neunmal größere Menge Chlorgas in der gleichen Zeitspanne freigesetzt Wasser / Temperatur / Wind Die Initialereignisse in der Ereigniskategorie Wasser / Temperatur / Wind sind: (Spontane) Überflutung Bei Unterwassertunneln mit Wannenausrundung besteht die Gefahr einer spontanen Überflutung infolge einer kriminellen Tat (z. B. terroristischer Anschlag) oder eines schweren Unfalls aufgrund menschlichen / technischen Versagens. Eine ausreichend starke Detonation kann zu einem örtlichen Versagen der Tunnelkonstruktion führen, sodass Wasser in den Tunnel einströmen kann. Ausgehend von dieser Öffnung in der Decke in

16 15 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Tunnelmitte verteilt sich das eintretende Wasser zu beiden Portalen hin gleichmäßig, bis der Tunnel in Abhängigkeit von den vorherrschenden Randbedingungen (z. B. Gefälle, Leistungsfähigkeit des Entwässerungssystems, etc.) vollständig mit Wasser gefüllt ist. Da im Rahmen von SKRIBT keine Ereigniskombinationen betrachtet wurden, wird bei der Berechnung des Schadensausmaßes das höhere Schadensausmaß der beiden Ereignisse maßgebend. Tunnel mit konstanter Längsneigung sind nicht gefährdet, da sie nicht direkt unterhalb von Gewässern verlaufen und im Falle eines Hochwassers ihre Längsneigung ein Aufstauen von Wasser innerhalb des Tunnels verhindert. Wind Ein weiteres Initialereignis aus der Ereigniskategorie Wasser / Temperatur / Wind ist der Windeinfluss, der im Rahmen eines natürlichen Ereignisses auf einer Brücke auftreten kann. Die Situation entwickelt sich so schnell, dass sich zum Zeitpunkt der Windeinwirkung Verkehr auf der Brücke befindet, da die Brücke nicht mehr rechtzeitig im Vorfeld gesperrt werden konnte. Im Rahmen der Untersuchung seltener Starkwindereignisse auf Brücken wird die Windgeschwindigkeit so hoch gewählt, dass für PKW-Insassen keine Gefahr durch Umkippen des eigenen Fahrzeugs besteht. Es ist jedoch schwieriger, die Kontrolle über ein fahrendes Fahrzeug zu behalten und die Unfallgefahr steigt. LKW können umgeworfen oder verschoben werden und stellen damit eine weitere potentielle Gefahr dar. 3.3 Szenarienentwicklung Aus den zuvor beschriebenen Initialereignissen werden die maßgebenden Szenarien für das betrachtete Bauwerk anhand relevanter Einflussparameter entwickelt. Bauliche, betriebliche und organisatorische Größen, die den Verlauf der einzelnen Ereignisse entscheidend beeinflussen können, werden dabei berücksichtigt und führen zu Verzweigungen im möglichen Verlauf der Ereignisse. So entsteht aus den Initialereignissen jeweils eine Vielzahl möglicher Szenarien. Die Szenarienentwicklung wird in Abhängigkeit vom betrachteten Bauwerkstyp und den entsprechend vorliegenden individuellen Randbedingungen für das Bauwerk selbst und den Nutzer durchgeführt. Relevante Einflussparameter für die Entwicklung der Szenarien sind im Folgenden aufgeführt: Für das Bauwerk: Bauweise Länge und Neigung Ausstattung Für den Nutzer: Zeitpunkt des Szenarieneintritts Verkehrszustand Faktoren für ein erhöhtes Ausmaß, z. B. viele Busse Erfolgreiche Detektion und Alarmierung der Nutzer Aktivierte Sperranlage Aktiviertes Lüftungssystem Weitere vorhandene und aktivierte Sicherungsmaßnahmen Zeitpunkt der Fremdrettung Die Umsetzung der Szenarienentwicklung erfolgt in strukturierter Form, z. B. unter Anwendung eines Ereignisablaufbaums. Für die sich ergebenden Szenarien werden die Wirkungen in Form von Ausmaßen und ggfls. Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmt und auf das Initialereignis bezogen zusammengefasst. 3.4 Ermittlung der Eingangsgrößen Eingangsgrößen für das Bauwerk Die Eingangsgrößen für das Bauwerk sind die initialereignisbezogenen Wirkungen bzw. Ausmaße der Szenarien in Form von Schadensklassen und Wiederherstellungskosten. Für Tunnelbauwerke werden zur Ermittlung der Schadensklasse zunächst die Bauteile ermittelt, die in Bezug auf das Versagen des Gesamtsystems eine Relevanz besitzen. Bei der Ermittlung der relevanten Bauteile wird differenziert zwischen den statisch-konstruktiv relevanten Bauteilen und Bauteilen, die der Tunnelausstattung zuzuordnen sind. Letztere entfallen für eine Analyse zur Bestimmung der Schadensklasse, die den Schädigungsgrad vom praktisch nicht geschädigten bis zum völlig zerstörten Gesamtbauwerk in mehreren Klassen wiedergibt. Der Schädigungsgrad wird anhand der konstruktiven Schädigung und damit verbunden anhand des Einflusses auf die Gebrauchstauglichkeit, die Standsicherheit und die Verkehrssicherheit ermittelt. Mit Hilfe geeigneter numerischer Methoden, ggfls. unter Ansatz von statischen Ersatzlasten, werden die szenariospezifischen Schädigungen auf Bauteilebene ermittelt und im Hinblick auf die Auswirkungen auf das Gesamtbauwerk extrapoliert. Die Ergebnisse werden anhand einer 5-klassigen Schadensausmaßeinteilung beurteilt. Die Schadensklasse 1 bedeutet dabei einen geringen

17 Schutz kritischer Brücken und Tunnel 16 Schaden, während die Schadensklasse 5 eine vollkommene Schädigung des Bauwerks ausweist. Die Wiederherstellungskosten bilden das zweite Element in der Beurteilung der Wirkung der Szenarien auf Tunnelbauwerke. Sie werden auf Basis der jeweiligen Neubaukosten für das Bezugsjahr 2010 ermittelt, die mittels eines geeigneten Grund-, eines Zerstörungs- und eines Abbruch- bzw. Erschwernisfaktors den Zusatzaufwand der Sanierungsarbeiten gegenüber den Neubaukosten für eine angesetzte Zerstörungslänge abbilden Eingangsgrößen für Nutzer Die Wirkungen der Initialereignisse auf die direkt betroffenen Nutzer von Brücken und Tunneln gehen als Eingangsgrößen in das Identifizierungsverfahren ein und werden in Form von gewichteten Risikoerwartungswerten für die Anzahl potentiell getöteter Personen pro Ereignis abgebildet. Für die Schadensausmaßermittlung wird das Fluchtverhalten unter den jeweiligen geometrischen Randbedingungen abgebildet. Das komplexe Zusammenspiel aus individuellen Eigenschaften der beteiligten Nutzer und den Einwirkungen der Schadgrößen, die sich in Art, Ausprägung und Zeitpunkt des Auftretens aus den Ereignisverläufen ergeben, lässt sich durch räumlich und zeitlich hochauflösende numerische Verfahren in Form von computergestützten Simulationen abbilden. Die Einwirkungen der Schadgrößen werden dabei durch die wesentlichen Einwirkungsgrößen wie z. B. Druck und Temperatur abgebildet. Es gilt zudem, die Wirkungen vorhandener technischer Einrichtungen zu berücksichtigen. Die finale Schadensausmaßermittlung erfolgt durch eine Verknüpfung des räumlichen wie zeitlichen Wirkungsverlaufs der Schadgrößen mit dem (dadurch beeinflussten) Fluchtverhalten der direkt betroffenen Nutzer: Die Flucht der Nutzer wird durch die Wahrnehmung und das Verhalten bestimmt. Die Beschreibung des Nutzerverhaltens basiert folglich auf einem Wahrnehmungs- und einem psychologischen Verhaltensmodell. Diese geben wieder, inwiefern Nutzer eine geordnete Flucht vornehmen oder sich angesichts der vorhandenen Gefahr impulsiv verhalten werden. Szenarien mit einem zu erwartenden großen Schadensausmaß werden allgemein stärker beachtet und damit stärker gewichtet werden, als es aufgrund des tatsächlichen Schadenerwartungswerts angezeigt wird, d.h. ein Ereignis, das 100 Opfer verursacht, wird meist als schlimmer empfunden als 100 Ereignisse mit je einem Opfer. Diese Extremereignisse - wie auch die Aussicht auf Extremereignisse - führen deshalb im Vergleich zu weiteren Ereignissen zu stärkeren oder rascheren Reaktionen, wie z. B. Anpassungen von Gesetzen und Vorschriften. In dieser Betrachtungsweise nimmt die Bedeutung von Risiken mit dem Schadensausmaß überproportional zu. Das wird berücksichtigt, indem das Schadenausmaß mit einer Aversionsfunktion gewichtet wird [4]. Hierdurch erhält man den gewichteten Risikoerwartungswert, der im Weiteren benutzt wird Eingangsgrößen für Verkehr Die Eingangsgrößen für den Verkehr sind Mehrreisezeiten in [Kfz-h], die aus dem sich einstellenden Zerstörungsgrad bzw. aus der sich ergebenden Restkapazität sowie der Ausfallzeit des Bauwerks resultieren. Die Ausfallzeit des Bauwerks bildet einen entscheidenden Einflussfaktor in der Beurteilung der volkswirtschaftlichen Folgekosten: Eine aufgrund des vorliegenden Schadens notwendige Teil- oder Vollsperrung des Bauwerks bedeutet einen erheblichen Eingriff in den Verkehrsablauf mit der Folge von Verkehrsbehinderungen bis zur Wiederinbetriebnahme. Ebenso wie die Ausfallzeit bilden Angaben zur Restkapazität des Bauwerks nach dem Ereignis eine entscheidende Eingangsgröße für die weiteren Verkehrsbetrachtungen und für die Bestimmung der Mehrreisezeiten. Sie resultiert im realen Ereignisfall aus den Betrachtungen zum Zerstörungsgrad im Rahmen der Schadensanalyse. Für die Analyse des Verkehrsablaufs im Rahmen des Identifizierungsverfahrens bedeutet sie eine Angabe zur noch durch den geschädigten Tunnel leitbaren Verkehrsmenge, angegeben als prozentualer Anteil des Leistungsvermögens vor der Beeinträchtigung durch das jeweilige Ereignis. Die Ermittlung der Mehrreisezeiten geschieht durch einen Vergleich des Basisfalls ohne Beeinträchtigung des Verkehrsablaufs mit dem Ereignisfall unter Beeinträchtigung des Verkehrsablaufs für das betrachtete Teilnetz. Für die Ereignisfälle gilt es, verschiedene Beeinträchtigungsszenarien in Form von Restkapazitäten zu formulieren. Diese ergeben sich aus den Ergebnissen der Bauwerksbetrachtungen bzw. können diesen später zugeordnet werden Eingangsgrößen für sonstige Faktoren Die Bewertung der sonstigen Faktoren kann gerade im Rahmen einer bauwerksübergreifenden Vergleichsbetrachtung eine entscheidende Rolle spielen. Eine erhöhte Bereitschaft, Bauwerke mit hoher gesellschaftlicher Symbolkraft zu schützen, ist für Einzelfälle zu vermuten. Um dem Anwender des Identifizierungsverfahrens eine Möglichkeit zu geben, für Einzelfälle den Einfluss sonstiger Faktoren durch eine Bewertungsgröße berücksichtigen zu können, werden keine initialereignis- bzw. zielgrö-

18 17 Schutz kritischer Brücken und Tunnel ßenbezogenen Eingangsgrößen ermittelt, sondern übergreifend der Kritikalitätswert durch eine Bewertungsgröße (BG SF ) beeinflusst. GGK AV = GGK BG SF mit: GGK AV: Gemittelte Gesamt-Kritikalität (inklusive Sonstiger Faktoren) GGK: Gemittelte Gesamt-Kritikalität BG SF: Bewertungsgröße für Sonstige Faktoren Abbildung 5 zeigt die sich dadurch ergebende Vorgehensweise in der Zusammenfassung der gewichteten Kritikalitätsbewertungsgrößen zu einem Wert für die Gemittelte Gesamt-Kritikalität GGK. Für die Bewertungsgröße zur Berücksichtigung des Einflusses aus Sonstigen Faktoren werden Werte zwischen minimal 1,0 und maximal 1,5 als sinnvoll erachtet. 3.5 Synthese der Eingangsgrößen Um die verschiedenartigen Eingangsgrößen zu einem Gesamtwert zusammenfassen zu können, werden sie mittels einer Übertragungsfunktion in dimensionslose Größen eines je 5-stufigen Bewer- tungssystems überführt. Für die Größen Schadensklasse, Wiederherstellungskosten, Gewichteter Risikoerwartungswert und Mehrreisezeiten wird eine ausreichend große Anzahl an möglichen Ergebnissen aus den angesetzten Initialereignissen unter Variation der möglichen, entscheidenden Einflussparametern ermittelt, um mit dieser Stichprobe die Verteilung der Grundgesamtheit abbilden zu können. Eine geordnete Aufstellung der Ergebnisse erlaubt eine Einteilung der Klassen nach der prozentualen Verteilung der Verkehrsbauwerke. Die im Weiteren erläuterte Klasseneinteilung wurde im Rahmen von SKRIBT für die Anwendung des Verfahrens pragmatisch gewählt, es handelt sich hierbei nicht um eine verbindliche Vorgabe. Die Besonderheiten für die einzelnen Eingangsgrößen in der Umsetzung der zuvor dargestellten prinzipiellen Vorgehensweise werden im Folgenden aufgeführt. Abbildung 5: Ermittlung der Gemittelten Gesamt-Kritikalität (GGK) im Rahmen des Identifizierungsverfahrens

19 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Bewertungshintergrund Bauwerk Die Auswahl von 5 Beurteilungsklassen orientiert sich an der Einteilung der Schadensklassen zur Bewertung der Auswirkungen von Extremereignissen. Die anzusetzende Übertragungsfunktion lässt folglich eine direkte Übertragung der Schadensklassen in die Beurteilungsklassen zu. Für die Eingangsgröße Wiederherstellungskosten wurden die Wiederherstellungskosten für 241 Tunnelbauwerke und Brückenbauwerke anhand der im Rahmen von SKRIBT aufgestellten Kostentabellen für Tunnel und Brücken [5][6] berechnet. Sie bilden die Basis für die Bewertungshintergründe zu den Wiederherstellungskosten für Tunnel bzw. Brücken. Grundlage für die Eingangsdaten in die Berechnungen bilden Daten zu den im deutschen Fernstraßennetz vorhandenen Bestandsbauwerken, die aus verschiedenen Datenbanken über den Bauwerksbestand (u.a. SIB-Bauwerke [7]) entnommen und aufbereitet werden konnten. Die für die Bestandsbauwerke im deutschen Fernstraßennetz ermittelten Wiederherstellungskosten ergeben Werte, die der Größe nach aufgestellt in Abbildung 6 wiedergegeben werden. Die Einteilung der Beurteilungsklassen erfolgt für 25%, 50%, 75% und 95% der Summe der betrachteten Bauwerke Bewertungshintergrund Nutzer Die Basis für einen Bewertungshintergrund für die Eingangsgröße Gewichteter Risikoerwartungswert bilden Ergebnisse von im Rahmen des Verbundprojekts SKRIBT durchgeführten Simulationen, in denen die mögliche Anzahl Getöteter bei verschiedenen Ereignissen und in verschiedenen Tunneltypen ermittelt wurde. Enthalten sind in dem vorliegenden Bewertungshintergrund die Ergebnisse aus ca. 200 Simulationsberechnungen für Tunnel mit konstanter Längsneigung und Wannenausbildung im Längsverlauf für alle denkbaren Szenarien, die von den Initialereignissen ausgehen können. Die Ergebnisse der Simulationsberechnungen ergeben für jedes Initialereignis (und jede geometrische Ausprägung der Tunnelgestaltung) einen Risikoerwartungswert. Die so ermittelten Risikoerwartungswerte werden in Klassen zusammengefasst und in einer Häufigkeitsverteilung abgebildet. Weitere Anhaltspunkte für eine Einteilung der Risikoerwartungswerte-Verteilung in Beurteilungsklassen liefern Werteaufstellungen, in denen die Simulationsergebnisse der Größe nach sortiert aufgeführt werden. Abbildung 7 zeigt die Größenaufstellungen für die vorliegenden Risikoerwartungswerte für Tunnel. Wie bei den Eingangsgrößen Wiederherstellungskosten und Mehrreisezeiten wird die Grenze zur Beurteilungsklasse 5 ("kritischer Bereich") bei 95% der nach Größe sortierten, betrachteten Extremereignisse angenommen. Abbildung 6: Größenaufstellung der Wiederherstellungskosten für Tunnel

20 19 Schutz kritischer Brücken und Tunnel Bewertungshintergrund Verkehr Der Bewertungshintergrund für die Eingangsgrößen Mehrreisezeiten der Zielgröße Verkehr wurde anhand von Umlegungsberechnungen unter Ansatz eines Verkehrsmodells ermittelt. Basis für diese Berechnungen bildet das Straßennetz in Nordrhein-Westfalen mit den darin verorteten Verkehrsbauwerken. Die Betrachtungen der Auswirkungen einer Vollsperrung (Restkapazität 0%) sowie einer Teilsperrung (Restkapazität 50%) erfolgten für 150 nach Relevanz ausgewählte Verkehrsbauwerke. Aus der Bauwerksdatenbank SIB- Bauwerke [6] wurden Daten zu Bauwerken herausgefiltert. Diese Bauwerke wurden in das NRW-Netz implementiert und die Mehrreisezeiten berechnet. Die der Größe nach aufgestellten Mehrreisezeiten bei Vollsperrung sind in Abbildung 8 wiedergegeben. Die Einteilung der Beurteilungsklassen erfolgt analog zur Vorgehensweise bei den anderen Zielgrößen für 25%, 50%, 75% und 95% der Summe der betrachteten Bauwerke. Abbildung 7: Größenaufstellung der gewichteten Risikoerwartungswerte Abbildung 8: Größenaufstellung für Mehrreisezeiten bei Vollsperrung