Verbundprojekt SKRIBT Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen

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

2 1 Nutzerbezogene Objektanalyse Bearbeitet von: Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Lehrstuhl für Psychologie I, Julius-Maximilians-Universität Würzburg Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb der Ruhr-Universität Bochum (TLB) Planung Transport und Verkehr AG (PTV) Dieser Bericht enthält in der Originalfassung sensible Inhalte, die aus der vorliegenden öffentlichen Fassung entfernt wurden.

3 Nutzerbezogene Objektanalyse 2 Inhalt 1 Einleitung Allgemeines Problemstellung und Zielsetzung Vorgehensweise Festlegung relevanter Szenarien Allgemeines Art und Größe der betrachteten Initialereignisse Brand Lachenbrand Explosionen Kontamination Überflutung Wind Zusammenfassung Untersuchungsobjekte Allgemeines Tunnel Brücken Risikoermittlung Wahrscheinlichkeits-Ausmaß- Diagramme Ermittlung des Risikowertes Risikoaversion Schadenserwartungswert Generierung von Ereignisabläufen Ablaufmodellierung (Ereignisbaumanalyse) Ereignisablauf / Untersuchungsszenarien Fehlerbaumanalyse (Ermittlung von Versagenswahrscheinlichkeiten) Auswahl der unerwünschten Ereignisse Entwicklung der Ursachenfolge Bestimmung der Nichtverfügbarkeit von Basisereignissen Visualisierung der Fehlerbäume Generierte Fehlerbäume Ermittlung szenariospezifischer Einwirkgrößen Grundgleichungen und Algorithmen CFD-Berechnungen (FDS) Hydrocode-Berechnungen (Autodyn) Modellierung der Rechengebiete CFD-Modellierungen Hydrocode-Modellierungen Modellierung der Initialereignisse / Freisetzungen Benzinfreisetzung Propanfreisetzung TNT-Freisetzung Chlorfreisetzung Wassereintritt Windeinfluss Schadensausmaßermittlung Evakuierungssimulation Bewegungsmodell Wirkungsmodell (externe Faktoren) Druck Temperatur Konzentrationen Sichtweite Psychologische Modelle zum Fluchtverhalten Allgemeines Wahrnehmungsmodell (Sichtweitenmodell) Verhaltensmodell Fluchtsimulation Schadensausmaßermittlung bei Überflutungsszenarien Bestimmung der szenarioabhängigen Schadensausmaße Allgemeines Szenarien mit Benzinfreisetzung Tunnel mit konstanter Längsneigung Tunnel mit Wanne Brücke Szenarien mit Propanfreisetzung Tunnel mit konstanter Längsneigung Tunnel mit Wanne Brücke Szenarien mit TNT-Freisetzung Tunnel mit konstanter Längsneigung Tunnel mit Wanne Brücke Szenarien mit Chlor-Freisetzung Tunnel mit konstanter Längsneigung Tunnel mit Wanne Brücke Szenarien mit Wassereintritt Tunnel mit konstanter Längsneigung...39

4 3 Nutzerbezogene Objektanalyse Tunnel mit Wanne Brücke Szenarien mit Windeinfluss Tunnel Brücke Ergebniszusammenstellung Zusammenfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang 1: Kontaminationsereignisse

5 Nutzerbezogene Objektanalyse 4 1 Einleitung 1.1 Allgemeines Im Rahmen des Projektes SKRIBT wurde eine umfangreiche Bedrohungsanalyse durchgeführt, in der die relevanten Bedrohungen für Brücken und Tunnel identifiziert wurden [1]. In der Objektanalyse [2] - [7] werden Art und Größe dieser möglichen Einwirkungen bestimmt und ihre Wirkung auf Bauwerk, Nutzer, Betriebs- und Einsatzdienste sowie den Verkehr ermittelt. Im vorliegenden Bericht Nutzerbezogene Objektanalyse werden die unmittelbaren Auswirkungen auf die Bauwerksnutzer untersucht. Er beinhaltet die generelle Vorgehensweise, die neu entwickelten Methoden, die schrittweise Bearbeitung sowie die gewonnenen Ergebnisse. 1.2 Problemstellung und Zielsetzung Ziel der Arbeiten ist es, Verfahren und Methoden zu entwickeln, mit denen die szenariospezifischen Auswirkungen auf die Bauwerksnutzer abgebildet werden können. Die zu entwickelnden Verfahren und Methoden sollen sowohl die äußeren Umstände als auch das menschliche Verhalten abbilden und als Basis für die spätere Identifizierung kritischer Tunnel- und Brückenbauwerke dienen. In einer zweiten Betrachtungsweise sind die Folgen für Betriebs- und Einsatzdienste darzustellen, insbesondere mit Blick auf zeitliche, ressourcenbezogene und einsatztaktische Komponenten einschließlich Maßnahmen der Eigensicherung. Hierzu wurde der separate Bericht Analyse Betriebsund Einsatzdienste [6] erarbeitet. Verkehrsflusssimulation/Fußgängersimulation Flucht- und Evakuierungssimulation Brand- und Ausbreitungssimulation Weiter werden Schnittstellen entwickelt, über die die verwendeten Modelle untereinander kommunizieren. Die Weiterentwicklung der Fußgängersimulation zur Flucht- und Evakuierungssimulation beinhaltet die Entwicklung und Implementierung eines Wirkungsmodells, das die Abschätzung von Letalitäten in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Schadstoffkonzentration ermöglicht, sowie eines Wahrnehmungs- und Verhaltensmodells, wodurch die Reaktionen der Nutzer in Abhängigkeit interner (z.b. Erfahrung, Ängstlichkeit) und externer (z.b. Sichtweite) Faktoren berücksichtigt werden können. Hierbei fließen die Erkenntnisse wahrnehmungs- und verhaltenspsychologischer Untersuchungen ein. Als Maß für die nutzerbezogene Kritikalität werden aus dem berechneten Schadensausmaß und der Eintrittswahrscheinlichkeit Schadenserwartungswerte für die verschiedenen Szenarien ermittelt. Aus diesen Schadenserwartungswerten lässt sich die Höhe des Schadens ablesen, den ein Ereignis verursacht, und welchen Einfluss der Bauwerkstyp auf das Schadensausmaß hat. Die hier erarbeiteten Ergebnisse fließen später in den SKRIBT-Schlussbericht Schutz kritischer Brücken und Tunnel Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. ein, um den Einfluss von Schutzmaßnahmen auf das Schadensausmaß zu untersuchen. 1.3 Vorgehensweise Als Grundlage für die weiteren Betrachtungen werden zunächst die relevanten Szenarien sowie 2 Modelltunnel und eine Modellbrücke definiert. Im Anschluss daran werden die zu untersuchenden Ereignisabläufe unter Variation verschiedener Randbedingungen wie z.b. Verkehrslage oder Aktivierung des Lüftungssystems generiert und die jeweiligen Eintrittswahrscheinlichkeiten durch Fehlerbaumanalysen ermittelt. Weiter werden die szenariospezifischen Einwirkgrößen mit Hilfe von CFD- und Hydrocodes berechnet. Als Indikator für das nutzerbezogene Schadensausmaß wird die mögliche Anzahl getöteter Personen ermittelt. Hierfür werden die nachfolgend aufgeführten Simulationsmodelle eingesetzt und gegebenenfalls weiter bzw. neu entwickelt:

6 5 Nutzerbezogene Objektanalyse 2 Festlegung relevanter Szenarien 2.1 Allgemeines Im Rahmen des Berichtes Bedrohungsanalyse wurde eine umfangreiche Analyse möglicher Bedrohungen für Brücken- und Tunnelbauwerke sowie deren Nutzer erstellt. Ein Teil dieser Bedrohungen wird durch den Menschen verursacht, entweder absichtlich durch kriminelle Handlungen oder unabsichtlich durch Unfälle bzw. deren Auswirkungen. Eine weitere Bedrohung geht von Naturkatstrophen aus. Einen Überblick über die Ereignisse, die insgesamt in SKRIBT untersucht werden, zeigt Abbildung 1. Mechanische Einwirkung Anprall Abbildung 1: Bedrohungsszenarien Brücken und Tunnel Für die in Abbildung 1 aufgeführten Ereignisse erfolgt eine weitere Konkretisierung hinsichtlich möglicher Bedrohungsszenarien. So wird bei Bränden nach Brandart, bei Explosionen nach Sprengstoffmenge und bei Kontamination sowie Überflutung nach Freisetzungs- bzw. Überflutungsgeschwindigkeit unterschieden. Mechanische Einwirkungen besitzen unter Beachtung des Risikoansatzes (Eintrittswahrscheinlichkeit Ausmaß) eine vergleichsweise geringere Relevanz und werden hier nicht weiter betrachtet. Im Folgenden werden zunächst die für Nutzer, Betriebs- und Einsatzdienste relevanten Initialereignisse in ihren unterschiedlichen Ausprägungsformen erläutert. 2.2 Art und Größe der betrachteten Initialereignisse Brand Natureinwirkungen Wasser Wind Kontamination chemisch biologisch radiologisch Bedrohungen WP 100 THREATS Brand Rauch (Partikel, Gase) Temperaturen Explosion Druck In Abhängigkeit des Aggregatzustandes eines Brennstoffes lassen sich Brände in Feststoffbrände, Flüssigkeitsbrände und Gasbrände unterscheiden. Da Feststoffbrände hinsichtlich Brandablauf und Wirkung i.d.r. langsamer bzw. schwächer als Flüssigkeitsbrände ablaufen, werden im Rahmen von SKRIBT vor dem Hintergrund ihrer Verfügbarkeit und Schadenswirksamkeit ausschließlich Flüssigkeitsbrände und Gasbrände detailliert betrachtet. Charakteristisch für Flüssigkeitsbrände ist die Bildung von Lachen, weshalb diese Brandform auch als Lachenbrand bezeichnet wird. Gasbrände sind durch Flammen infolge austretender Gase gekennzeichnet und werden daher auch als Freistrahlbrände bezeichnet. Im Folgenden werden diese unterschiedlichen Brandformen untereinander abgegrenzt Lachenbrand Beurteilungskriterium für einen Lachenbrand ist die aus einem Behälter austretende Gefahrstoffmenge. Ist die Menge des austretenden Gefahrstoffes größer als die Menge, die sich in dieser Zeit entzünden kann, handelt es sich um einen Lachenbrand. Typische Stoffe, bei deren Freisetzung es zum Lachenbrand kommt, sind Benzin und Diesel. Die Mineralöle sind hoch verfügbar und können in großen Mengen in Lkw transportiert werden. Behälter zum Mineralöltransport haben typischerweise Wandstärken von 3 bis 5 mm und sind in der Regel nicht mit besonderen Schutzeinrichtungen ausgestattet. Durch Gewalteinwirkung, bspw. durch eine Kollision mit der Tunnelwand, können im Behälter Lecks entstehen, deren Durchmesser ein kontinuierliches Austreten des Mineralöls zur Folge haben und die Entstehung eines Lachenbrands ermöglichen. Der Durchmesser eines derartigen Lecks wird nach QRAM [9] zu 100 mm angenommen. Die Freisetzungsrate ergibt sich dabei zu 20,6 kg/s. Ein deutlich größerer Schaden am Behälter kann durch Umkippen des LKWs entstehen. Die dadurch auf den Behälter wirkenden Kräfte können zu einem Behälterversagen führen, sodass das transportierte Mineralöl mit sehr hoher Freisetzungsrate austritt. Sie wird in den folgenden Berechnungen zu 300 kg/s angenommen. Die Gesamtladungsmenge bei Mineralöltransporten beträgt nach PIARC [9] 28 t. Bei dieser Brandart werden Tunnelnutzer auf ihrer Flucht im Wesentlichen durch den Einfluss von Rauch, bestehend aus Rußpartikeln und Rauchgasen, behindert. Rußpartikel führen zu einer Reduzierung der Sicht und Orientierung und bewirken starke Irritationen der Atemwege und Schleimhäute. Mit zunehmender Expositionsdauer kommen noch Einflüsse durch die Toxizität der Rauchgase und die Temperatureinwirkung hinzu [10] Freistrahlbrand Ein Freistrahlbrand entsteht, wenn druckverflüssigtes Gas durch eine schmale Öffnung aus einem Behälter austritt und entzündet wird. Das Gas tritt

7 Nutzerbezogene Objektanalyse 6 mit sehr hohen Geschwindigkeiten als Feuerstrahl aus, der Reichweiten von einigen zehn Metern erreichen kann. Stellvertretend für druckverflüssigte Gase wird in Anlehnung an den Forschungsbericht Verfahren zur Kategorisierung von Straßentunneln gemäß ADR 2007 [10] Propan als Leitstoff herangezogen. Typische Flüssiggastanks haben Wandstärken von etwa 10 mm, was sie im Vergleich zu Mineralöltanks wesentlich robuster macht. Der Durchmesser einer durch Gewalteinwirkung verursachten Öffnung wird daher gemäß QRAM [1] zu 50 mm angenommen. Die sich dabei ergebende Freisetzungsrate beträgt 36 kg/s. Die Gesamtladungsmenge bei Flüssiggastransporten beträgt nach PIARC [1] 18 t. Die Gefährdung von Personen geht bei einem Freistrahlbrand primär von den hohen Temperaturen aus, die sich einstellen. Weiterhin wird bei der Verbrennung von Propan der Umgebungsluft Sauerstoff entzogen, was zum Erstickungstod führen kann Explosionen Explosionsereignisse lassen sich anhand der Geschwindigkeit im verbrennenden Medium prinzipiell unterscheiden in Verbrennungen mit Unterschallgeschwindigkeit (Deflagration) und Verbrennungen mit Überschallgeschwindigkeit (Detonation) Deflagration Bei einer Deflagration handelt es sich um eine schnell ablaufende Verbrennung von sich ausbreitenden Gasen. Trotz der hohen Wandstärke von Flüssiggasbehältern ist die Möglichkeit eines Versagens bei hoher Gewalteinwirkung möglich. Die Austrittsmenge wird hierbei gemäß PIARC [1] zu 400 kg/s angenommen. Bedingt durch die hohe Freisetzungsrate kann bei Entzündung des ausgetretenen Gases ein BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) entstehen. Auch im Fall eines BLEVE dominieren aufgrund der Flammenausbreitung die Effekte infolge Temperatureinwirkung. Die während eines BLEVE freigesetzte Energie kann auf den Menschen sowohl durch Wärmestrahlung als auch durch konvektive Wärmeübertragung schädigend wirken. Effekte durch Wärmestrahlung beschränken sich in der Regel auf den unmittelbaren Flammenbereich, während durch konvektive Wärmeübertragung Wärme mit der Strömung über weite Bereiche transportiert werden kann Detonation Bei der Detonation (Blast) von explosionsgefährlichen Stoffen kommt es in der Nähe der Ladung zu einem sehr schnellen und hohen Druckanstieg (siehe Abbildung 2). Druck p p max Überdruck p ü = p - p atm p atm t 0 Abbildung 2: t Äquivalenter Dreiecksimpuls Druckverlauf bei einer Detonation Dadurch wird eine Schockwelle ausgelöst, die sich zunächst mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet. In weiterer Entfernung zur Ladung geht die Schockwelle in eine gewöhnliche Stoßwelle über, die sich dann mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet. Die Zerstörungswirkung einer Explosion ergibt sich aus der Stärke der Druckwelle, d.h. der Höhe der Druckamplitude (Explosionsspitzenüberdruck) und der Zeitdauer der Druckwirkung (Dauer der sog. positiven Druckphase). Im Gegensatz zu Brandereignissen und Deflagration ist bei einer Detonation die entstehende Hitzewirkung vernachlässigbar, da die Druckwirkung deutlich überwiegt und somit maßgebend für das zu erwartende Schadenausmaß ist. In Tunneln kann es zusätzlich zu Verdämmungseffekten kommen, wodurch die zerstörerische Wirkung verstärkt wird. Stellvertretend für die Gesamtheit von Stoffen, die eine Detonation hervorrufen können, wird Trinitrotoluol (TNT) als Leitstoff betrachtet. Mögliche Szenarien im Straßenverkehr sind sehr kleine Ladungen (Kofferladung), PKW-Ladungen und LKW-Ladungen Kontamination Impuls der positiven Druckphase (Überdruck) t d Unterdruck Kontaminationen können durch radiologische, nukleare, biologische und chemische Gefahrstoffe verursacht werden. Für eine ausführliche qualitative Betrachtung der verschiedenen Kontaminationsarten wird auf Anhang 1 Kontaminationsereignisse verwiesen. Zur Bestimmung des Schadensausmaßes wurde als Leitstoff Chlor gewählt. Chlor weist aufgrund seiner hohen Dichte (3,214 kg/m³) bei der Ausbreitung ein ausgeprägtes Schwergasverhalten auf. Bei der Inhalation von Chlor kommt es zu starken Irritationen der Atemwege, der Augen und der Haut, da sich in Verbindung mit Feuchte hypochlorige Säure und Salzsäure bilden, die das Gewebe angreifen. Chlorkonzentrationen von ca. 0,5 % in der Atemluft sind für den Menschen töd- t u Zeit

8 7 Nutzerbezogene Objektanalyse lich. Der Durchmesser eines bei Gewalteinwirkung entstehenden Lecks eines Chlorgasbehälters wird gemäß QRAM [1] zu 50 mm und die Freisetzungsrate damit zu 45 kg/s angenommen. Die Austrittsmenge an Chlor im Falle eines Behälterversagens wird zu 400 kg/s angenommen Überflutung Eine Gefährdung von Straßenverkehrsteilnehmern auf Brücken und in Tunneln durch Wasser besteht ausschließlich im Falle eines plötzlichen Anstiegs der Wasserhöhe. Dieser Fall tritt auf Brücken nicht ein. Ebenso wenig sind Tunnel mit konstanter Längsneigung durch einen plötzlichen Anstieg der Wasserhöhe gefährdet, da sie nicht direkt unterhalb von Gewässern verlaufen und im Falle eines Hochwassers ihre Längsneigung ein Aufstauen von Wasser innerhalb des Tunnels verhindert. Tunnel mit Wannenausrundung sind in der Regel Unterwassertunnel, so dass die Gefahr einer Überflutung besteht. Eine ausreichend starke Detonation kann zu einem örtlichen Versagen der Tunnelkonstruktion führen, sodass Wasser in den Tunnel einströmen kann. Beim plötzlichen Untertauchen eines Menschen in Wasser wird die Atmung reflektorisch unterlassen. Durch die fehlende Sauerstoffzufuhr steigt der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut an, was ein reflektorisches Einatmen auslöst. Dadurch gelangt Wasser in die Lunge. Es folgt ein starkes Abhusten, um weiteres Eindringen von Wasser zu verhindern. Ein bis zwei Minuten später tritt die Bewusstlosigkeit ein und eine Selbstrettung ist ausgeschlossen. Die Fremdrettung durch Reanimation ist dann noch wenige Minuten lang, in Ausnahmefällen auch nach mehr als einer halben Stunde möglich Wind Starkwindereignisse können im Straßenverkehr zu Beeinträchtigungen und Unfällen führen. Je nach Windstärke besteht für Fahrzeuginsassen die Gefahr des Kontrollverlusts sich in Bewegung befindlicher Fahrzeuge, sowie der Kollision mit hochgeschleuderten Gegenständen bzw. umgeworfenen Fahrzeugen. Starkwindereignisse werden anhand der Fujita- Skala in den Stufen F0 bis F12 klassifiziert. Tabelle 1 zeigt einen Ausschnitt der Fujita-Skala, in dem Windgeschwindigkeiten und ihre Einflüsse auf Kraftfahrzeuge einer entsprechenden Stufe zugeordnet werden. Stufe [km/h] Auswirkungen F Führen von KFZ wird erschwert Windgeschwindigkeit F Fahrende PKW werden verschoben F Leichte LKW werden umgeworfen F LKW werden umgeworfen oder verschoben F PKW werden umgeworfen F Asphaltierte Straßen können zerstört werden Tabelle 1: Stufen der Fujita-Skala (Auszug) Ab der Stufe F1 können fahrende PKW verschoben, sowie leichte LKW umgeworfen werden. Der Wind erreicht bei dieser Stufe Geschwindigkeiten von km/h. Im Rahmen der Untersuchung seltener Starkwindereignisse, sowie Tornados auf die Nutzer von Straßenbrücken wird die Windgeschwindigkeit zu 200 km/h gewählt. Dies entspricht der Stufe F2 auf der Fujita-Skala. Das kontrollierte Führen von Kraftfahrzeugen ist bei diesen Windgeschwindigkeiten erheblich erschwert und Unfallhäufungen sind zu erwarten. 2.3 Zusammenfassung Die zu untersuchenden Initialereignisse werden durch passende Leitstoffe abgebildet. Ihre Freisetzungsmengen ergeben sich aus typischen Ladungsmengen. Die Freisetzungsraten sind abhängig von der Freisetzungsart, die wiederum von der Freisetzungsursache abhängt Die zu untersuchenden Szenarien sind in Tabelle 2 zusammenfassend dargestellt.

9 8 8 Nutzerbezogene Objektanalyse 8 Initialereignis Leitstoff / Leitgröße Aggregatzustand Freisetzungsmenge Freisetzungsart Freisetzungsursache Freisetzungsrate Maßgebliche Wirkungen Brand Lachenbrand Benzin / Diesel flüssig 28 t kontinuierlich Leck (100 mm) 20,6 kg/s spontan Behälterversagen 300 kg/s Temperatur, CO, Rauchpartikel Freistrahlbrand kontinuierlich Leck (50 mm) 36 kg/s druck- Propan 18 t Deflagration verflüssigt spontan Behälterversagen 400 kg/s (BLEVE) Temperatur, O 2 -Anteil Explosion spontan Lkw-Ladung _ Detonation TNT fest spontan Pkw-Ladung _ Druck spontan Koffer-Ladung _ Kontamination Flüchtige K. Chlor gasförmig 20 t kontinuierlich Leck (50 mm) 45 kg/s spontan Behälterversagen 400 kg/s Schadgaskonzentration Überflutung Wasser flüssig kontinuierlich Hochwasser m³/s spontan Großes Leck 300 m³/s O2-Anteil, Druck kontinuierlich Sturm m/s (F2) Windeinfluss Luft gasförmig spontan Tornado (Windhose) m/s (F3) Druck Tabelle 2: Untersuchungsszenarien

10 9 Nutzerbezogene Objektanalyse 3 Untersuchungsobjekte 3.1 Allgemeines Die Auswirkungen der in Kap. 2 erläuterten Initialereignisse werden an repräsentativen Untersuchungsobjekten ermittelt, d.h. an auszuwählenden Modelltunneln und Modellbrücken. Wegen der großen Bandbreite möglicher Modellbauwerke müssen die Anzahl sinnvoll eingeschränkt und Modellannahmen getroffen werden, die repräsentative Schlussfolgerungen anhand der Berechnungsergebnisse zulassen. 3.2 Tunnel Maßgebendes Auswahlkriterium bei den Tunnelbauwerken ist die Tunnellänge, da sie Auswirkungen auf die Anzahl potentiell betroffener Personen im Einzelfall hat. In Deutschland ist die Gruppe kürzerer Tunnel quantitativ stark, während in die Gruppe sehr langer Tunnel nur wenige fallen, siehe Abbildung 3. Um Ähnlichkeit zu verkehrlich relevanten und gleichzeitig ausreichend vielen deutschen Tunneln zu erhalten, wird die Tunnellänge zu 1200 m gewählt. Abbildung 4: Regelquerschnitt RQ 31t Die Längsneigung wurde mit 3 % angesetzt, da dies nach RABT 2006 die maximale Längsneigung ist, die ohne zusätzliche risikoanalytische Maßnahmen zulässig ist. Sie liegt im Tunnel mit konstanter Längsneigung durchgehend, im Tunnel mit Wannenausrundung an den Flanken vor. Die Querschnittshöhe beträgt in beiden Tunneln 5,50 m, die lichte Höhe nach RABT 4,70 m. Die Belüftung des Tunnels erfolgt mittels eines Längslüftungssystems, bestehend aus 8 Strahlventilatoren. Die Strahlventilatoren erreichen einen Volumenstrom von 19,6 m³/s. Die Strahlventilatoren sind in 4 Gruppen mit jeweils 2 Ventilatoren angeordnet, s. Abbildung 6. Notausgänge sind einseitig im Abstand von 300 m zueinander angeordnet. Fluchtwegkennzeichen befinden sich entlang des gesamten Tunnels in Abständen von 25 m auf der gleichen Tunnelseite wie die Notausgänge. Die Fluchtwegkennzeichnung ist statisch und zeigt alle 25 m die Richtung und Entfernung der am nächsten gelegenen zwei Notausgänge. Abbildung 3: Anzahl und Länge der Bundesfernstraßentunnel in Deutschland Es werden ein Tunnel mit konstant fallender Längsneigung in Fahrtrichtung und ein Tunnel mit Tiefpunkt und einer Wannenausrundung in der Mitte untersucht. Als Betriebsart wurde Richtungsverkehr gewählt, da Richtungsverkehrstunnel meistens deutlich höhere Verkehrsbelastungen aufweisen und vorrangig auf deutschen Bundesautobahnen vorkommen. Beide Tunnel weisen den Querschnitt RG 31t nach RAA auf. Dieser ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 5: 3.3 Brücken Tunnelquerschnitt mit Strahlventilatoren Die Konstruktion der Brücke hat bei der Betrachtung der Auswirkungen auf die Verkehrsteilnehmer eine untergeordnete Bedeutung, entscheidende Parameter sind Länge und Breite der betrachteten Modellbrücke. Die Brückenlänge wird zu 150 m gewählt. Diese Länge ist notwendig um die räumliche Ausbreitung aller zu untersuchenden Initialereignisse vollständig zu simulieren. Die Höhe des Untersuchungsraums beträgt 20 m. Da die Wind-

11 Nutzerbezogene Objektanalyse 10 richtung im Freifeld einen hohen Einfluss auf freigesetzte Stoffe hat, werden Situationen bei Wind quer und längs zur Fahrtrichtung, sowie bei Windstille untersucht. Die Brücke wird im Richtungsverkehr betrieben und hat keine Längsneigung. Aufgrund der zunehmenden Anzahl 6-streifiger Brückenquerschnitte werden drei Fahrspuren und ein Seitenstreifen pro Fahrtrichtung angenommen. Eine Selbstrettung ist zu den beiden Brückenenden möglich. Die Seitenwände sind 1 m hoch. Der Brückenquerschnitt ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6: Brückenquerschnitt

12 Eintrittswahrscheinlichkeit P [-] 11 Nutzerbezogene Objektanalyse Beispiel P-A-Diagramm 4 Risikoermittlung 1.E+00 1.E-01 Benzin kont. Ohne-Fall Um Schädigungspotentiale maßgebender Schadensereignisse quantifizieren und miteinander vergleichen zu können wird eine Risikoermittlung durchgeführt. Das Risiko eines Ereignisses setzt sich zusammen aus der Wahrscheinlichkeit des Eintritts verknüpft mit der Größe der Auswirkungen und wird wie folgt definiert: Risiko = Eintrittswahrscheinlichkeit Schadensausmaß Als Indikator für die Schadensausmaße werden in den Berichten, die sich auf den Schutz des Nutzers beziehen, ausschließlich Personenschäden mit direkter Todesfolge betrachtet. Zur Bestimmung des Risikos wird die Methodik der Quantitativen Risikoanalyse verwendet. Hierbei werden von einem auslösenden Ereignis (Schadensereignis) ausgehend, Ereignisabläufe über alle möglichen Zwischenzustände bis hin zu den Endzuständen des Systems ermittelt. Die zugehörigen Verzweigungswahrscheinlichkeiten im Ereignisablauf werden dann mittels Fehlerbaumanalysen, Expertenschätzung oder aufgrund statistischer Auswertungen quantifiziert. In einem zweiten Schritt sind für die jeweiligen Häufigkeiten die korrespondierenden Auswirkungen (Schadensausmaße) mittels Modellrechnungen zu bestimmen. Durch die Verknüpfung der Eintrittswahrscheinlichkeiten der Endzustände mit den zugehörigen Schadensausmaßen ergibt sich schließlich das jeweilige Risiko. Das Gesamtrisiko eines Ereignisses resultiert dann als Punktwert aus der Summe der Einzelrisiken. Die grafische Darstellung der Ergebnisse erfolgt mittels Wahrscheinlichkeitsausmaßdiagrammen. 4.1 Wahrscheinlichkeits-Ausmaß- Diagramme Zur Darstellung der Risiken werden die über die Ereignisbäume ermittelten Häufigkeiten der Endzustände und das jeweils zugehörige Ausmaß nach der Größe des Ausmaßes sortiert und als Summenwahrscheinlichkeiten in p-n-diagrammen (probability-number) oder hier W-A Diagrammen - aufgetragen. Dadurch lassen sich die ermittelten Risiken auch in vergleichbarer Form darstellen. Im Zuge der Erkennbarkeit von sehr seltenen Ereignissen mit hohen Schadensausmaßen werden bei Wahrscheinlichkeitsausmaßdiagrammen sowohl die Abszisse als auch die Ordinate logarithmisch dargestellt (doppelt logarithmische Darstellung). In Abbildung 7 ist exemplarisch der Verlauf einer Wahrscheinlichkeits-Ausmaß Kurve dargestellt. Abbildung 7: Beispiel eines Wahrscheinlichkeits- Ausmaß-Diagramms 4.2 Ermittlung des Risikowertes Das Risiko bestimmt sich wie folgt aus der Summe der mit ihren Ausmaßen verknüpften Eintrittswahrscheinlichkeiten. R n i 1 P i A i P i : Wahrscheinlichkeit des Endzustandes i A i : Schadensausmaß des Endzustandes i Somit entspricht das Risiko der Fläche unter der Summenwahrscheinlichkeitskurve h(x) des W-A- Diagramms. Bei Verwendung des Punktwertes zur Beschreibung des Risikos werden jedoch seltenere Endzustände mit größeren Ausmaßen nicht entsprechend der Wahrnehmung in der Öffentlichkeit berücksichtigt. Zur Berücksichtigung des empfundenen Risikos werden bei der Risikoermittlung ausmaßabhängige Aversionsfaktoren verwendet. 4.3 Risikoaversion Zur Berücksichtigung des empfundenen Risikos wird der im Forschungsbericht Bewertung der Sicherheit von Straßentunneln [13] verwendete Aversionsfaktor φ übernommen. Hierbei wird für Personenschäden (Getötete) folgender Zusammenhang verwendet: A i A i : Schadensausmaß des Endzustandes i Der Risikowert mit Aversion stellt ein bewertetes Risiko dar und wird wie folgt berechnet: R 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 1.E n i 1 P i A i A Ausmaß A [getötete Personen] i Die Methodik der Wahrscheinlichkeitsermittlung wird in Kapitel 1 beschrieben. Kapitel 1 beinhaltet die Beschreibung der Ausmaßermittlung.

13 Nutzerbezogene Objektanalyse Schadenserwartungswert Langfristig betrachtet entspricht das Risiko einem mittleren Schaden und stellt somit einen Schadenserwartungswert dar. Das durch die Aversion bewertete Risiko wird einem bewerteten Schadenserwartungswert gleichgesetzt.

14 13 Nutzerbezogene Objektanalyse 5 Generierung von Ereignisabläufen 5.1 Ablaufmodellierung (Ereignisbaumanalyse) Zu Beginn der Modellierung des Ablaufes steht die Identifizierung der möglichen Systemantworten. Dabei handelt es sich um die Reaktion des Systems auf technische Betriebs- und Sicherheitssysteme sowie die Reaktion auf Eingriffe von Menschen. Vom auslösenden Ereignis (Top Event) aus werden die angeforderten Systemantworten (zum Beispiel die eines Sicherheitssystems) abgefragt und es wird unterschieden, ob ein Erfolg oder ein Versagen vorliegt. An diesem Punkt verzweigt sich der Ereignisablauf in weitere Zwischenzustände. Die Zwischenzustände werden analog zu denen des auslösenden Ereignisses auf Systemantworten untersucht. So entstehen bis zum Endzustand unterschiedliche Zweige des Ereignisablaufes. Der Zweig des Ereignisablaufes wird bis zu dem Zeitpunkt verfolgt, wo das System einen endgültigen Zustand (Endzustand) erreicht hat und eine weitere Verzweigung nicht mehr möglich ist. Eine weitere Betrachtung für beherrschte Ereignisabläufe (zum Beispiel Erfolg eines Sicherheitssystems) kann notwendig sein, wenn sich die Randbedingungen durch Einflussfaktoren wie Zeit oder andere Systemausfälle ändern können. Die Systemantworten sollten im Ablaufdiagramm in zeitlicher Reihenfolge ihres Auftretens aufgeführt werden. Es werden nur Systemantworten dargestellt, die eine unmittelbare Wirkung auf die Ablaufentwicklung der Ereignisse haben. Alle mittelbar benutzten Subsysteme, wie zum Beispiel das der Energieversorgung, sind nicht Bestandteil der Ablaufentwicklung, sondern werden in den zugehörigen Verzweigungswahrscheinlichkeiten berücksichtigt. Die zu erwartenden Wahrscheinlichkeiten der Endzustände werden über folgende Formel berechnet P ei P 0 P i P ei : Eintrittswahrscheinlichkeit des Endzustandes i P 0 : Eintrittswahrscheinlichkeit des auslösenden Ereignisses P i : Verzweigungswahrscheinlichkeit im Ereignisablauf Diese Berechnung ist nur möglich, wenn die Häufigkeit des auslösenden Ereignisses und die Verzweigungswahrscheinlichkeiten der einzelnen Systemantworten bekannt sind. Die Häufigkeit bzw. die Wahrscheinlichkeiten sind entweder durch Statistiken bekannt, werden durch Expertenbefragung ermittelt oder müssen mit Hilfe der Fehlerbaumanalyse (siehe Abschnitt 5.3) entwickelt werden. Auslösendes Ereignis (Top Event) Abbildung 8: P 0 Funktioniert das Funktioniert das Sicherheitssystem A? Sicherheitssystem B? P ua P aa Versagen Erfolg Versagen Erfolg Darstellung eines Ereignisablaufes Endzustand 1 P e1 Endzustand 2 P e2 Endzustand 3 P e3 5.2 Ereignisablauf / Untersuchungsszenarien Die wesentlichen Verzweigungspunkte im Ereignisablauf differieren zwischen Tunnel- und Brückenbauwerken deutlich. Gründe sind sowohl die unterschiedliche technische Ausstattung als auch die verschiedenen möglichen Gefahreneinwirkungen in Folge der untersuchten Szenarien. Im Folgenden werden die Verzweigungspunkte kurz dargestellt. Initialereignisse sind in Fälle mit sofortiger und verzögerter Freisetzung zu differenzieren. Des Weiteren ist zu unterscheiden zwischen Szenarien mit Freisetzung von zündfähigen Leitstoffen, Explosivstoffen und kontaminierenden Stoffen. Weitere Initialereignisse sind Überflutungen in Tunneln und Windeinwirkungen auf Brücken (s. Kap. 2). Sämtliche Ereignisse werden in der jeweiligen Bauwerksmitte angenommen, da diese unter der Annahme einer Gleichverteilung der Ereignisorte über die gesamte Bauwerkslänge als repräsentativer Ereignisort erachtet werden kann. In den weiteren Untersuchungsszenarien findet daher keine weitere Differenzierung hinsichtlich des Ereignisorts statt. Erhebliche Auswirkungen auf die Ausmaßermittlung hat der vorherrschende Verkehrszustand zu Beginn des Schadensereignisses. Prinzipiell ist hierbei zwischen den Verkehrszuständen bei freiem Verkehrsfluss und bei Stau zu unterscheiden. Im Fall eines Schadensereignisses bei freiem Verkehrsfluss werden sich die auf den Freisetzungsort zufahrenden Fahrzeuge vor diesem aufstauen, während die auf der stromabwärtigen Seite befindlichen Fahrzeuge frei aus dem Tunnel ausfahren können. Eine grundsätzlich andere Situation ergibt sich im Fall eines Vollstaus infolge von Überlastung in den nachfolgenden Streckenabschnitten. P ub P ab

15 Nutzerbezogene Objektanalyse 14 Zur Berücksichtigung des Verkehrsaufkommens wird des Weiteren zwischen Situationen bei Tag (hohe Verkehrsbelastung, 1719 Fzg./h) und Nacht (geringere Verkehrsbelastung, 311 Fzg./h) unterschieden. Mit Hilfe von Lüftungssystemen kann im Fall von Bränden und bei Kontamination das Schadensausmaß positiv beeinflusst werden. Daher ist das Aktivieren der Lüftungsanlage des Tunnelbauwerks in den Untersuchungsszenarien mit zu berücksichtigen. Die geeignete Lüftungsstrategie ist neben dem Verkehrszustand auch vom freigesetzten Leitstoff abhängig. Ein erhöhtes Ausmaß liegt vor, wenn Fahrzeuge mit einem sehr hohen Personenbesetzungsgrad, wie er beispielsweise bei Bussen gegeben ist, in das Ereignis involviert sind. Da der Eintritt dieses Ereignisses zu einer Vergrößerung des Schadensausmaßes führen kann, ist dieses Szenario im Ereignisablauf mit zu berücksichtigen. Das rechtzeitige Eintreffen von Rettungskräften am Ort des Ereignisses kann zu einer Reduzierung des Schadensausmaßes beitragen. Die Auswirkung auf das Schadensausmaß wird über die Eintreffwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der Eintreffzeit berücksichtigt. Wahrscheinlichkeiten abzuleiten. Im Rahmen der Quantitativen Risikoanalysen (QRAM) wird die Fehlerbaumanalyse zur Berechnung der Verzweigungswahrscheinlichkeiten im Ereignisablauf aus bekannten Versagenswahrscheinlichkeiten der Systemkomponenten benutzt. Diese Methode wird auch für die Berechnung der zu erwartenden Wahrscheinlichkeit des Top Events in der Ereignisablaufanalyse aus bekannten zu erwartenden Wahrscheinlichkeiten der Basisereignisse verwand. Die in Abbildung 9 dargestellte Kombination von Fehler- und Ereignisbaum über ihr gemeinsames Top Event wird in der englischen Literatur auf Grund ihrer Form bowtie, z. dt. Fliege genannt. Zur Erstellung einer Fehlerbaumanalyse werden die Schritte Auswahl der unerwünschten Ereignisse, Entwicklung der Ursachenfolge und Berechnung der zu erwartenden Wahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses vollzogen. Es ergeben sich in Abhängigkeit der Initialereignisse die in Tabelle 3 aufgeführten Ereignisabläufe. Verzweigungen Freisetzung Zeitraum Verzweigungsbedingungen sofort / verzögert Tag / Nacht Verkehrszustand Frei / Stau Lüftungssystem aktiviert Ja /nein 1 Abbildung 9: Kombination von Fehler- und Ereignisbaum Erhöhtes Ausmaß Ja /nein Auswahl der unerwünschten Ereignisse Fremdrettung Tabelle 3: Übersicht Ereignisablauf früh/mittel/spät Für eine detailliertere Erläuterung der Verzweigungen wird auf Anhang 2 verwiesen. 5.3 Fehlerbaumanalyse (Ermittlung von Versagenswahrscheinlichkeiten) Die Fehlerbaumanalyse ist eine deduktive Methode, um Wahrscheinlichkeiten aus bekannten 1 In Szenarien mit Brücke nicht vorhanden Unerwünschte Ereignisse für die Fehlerbaumanalyse sind: das auslösende Ereignis des Ereignisablaufes und das Versagen der einzelnen Systemantworten im Ereignisablauf. Indem das auslösende Ereignis der Ereignisablaufanalyse mit dem unerwünschten Ereignis für die Fehlerbaumanalyse gleichgesetzt wird, ist es möglich, die zu erwartende Wahrscheinlichkeit des Top Events zu bestimmen. Um die Verzweigungswahrscheinlichkeiten auf die Systemantwort zu errechnen, wird das Versagen der Systemantwort (z. B. Reaktion eines Sicherheitssystems) als unerwünschtes Ereignis für die Fehlerbaumanalyse be-

16 15 Nutzerbezogene Objektanalyse nutzt. Da sich die Wahrscheinlichkeit für die Verzweigung (Versagen und Erfolg) zu 1 addiert, ist durch die Bestimmung des Versagens der Systemantwort auch die Wahrscheinlichkeit für den Erfolgszweig bestimmt Entwicklung der Ursachenfolge Die Entwicklung des Fehlerbaums für jedes unerwünschte Ereignis beginnt mit dem Top Event. Das unerwünschte Ereignis wird durch logische Verknüpfungen der Unterereignisse beschrieben, die die Ursachen für das Top Event bilden. Die Unterereignisse ihrerseits werden wieder durch logische Verknüpfungen auf weitere Unterereignisse zurückgeführt, bis die Ebene der Basisereignisse erreicht ist. Auf der Ebene der Basisereignisse besitzen die Ereignisse keine funktionelle Abhängigkeit mehr. Die Fehlerbaumanalyse führt somit das definierte unerwünschte Ereignis durch logische Verknüpfungen auf Basisereignisse zurück, deren zu erwartende Häufigkeit man kennt oder abschätzen kann. Das Prinzip, bei jedem Analyseschritt nur die unmittelbar das Ereignis beeinflussenden Systemzusammenhänge zu betrachten, ist charakteristisch für die Fehlerbaumanalyse. Alle im Funktionszusammenhang des Systems stehenden Abhängigkeiten oder Operateurmaßnahmen werden dabei aufgedeckt und sind im Fehlerbaum darzustellen und damit einer Berechnung zugänglich zu machen. Um die Ursachenfolge zu verdeutlichen zeigt Abbildung 10 einen Fehlerbaum in Anlehnung an DIN 25424, der aus drei Basisereignissen besteht. Die logischen Wechselbeziehungen zwischen den Unterereignissen werden mit Hilfe der logischen Verknüpfungen (UND, ODER) dargestellt. Das unerwünschte Ereignis tritt in diesem Beispiel also ein, wenn das Unterereignis (1&2) oder das Basisereignis 3 eintreten (ODER Verknüpfung). Damit aber das Unterereignis (1&2) eintritt, müssen gleichzeitig die Basisereignisse 1 und 2 eintreten (UND Verknüpfung). Von der untersten Ebene, die die Basisereignisse enthält, wird sukzessiv aufsteigend jede Verknüpfung bis zum unerwünschten Ereignis berechnet. Basisereignis 1 (Basic Event) P u1 Unterereignis (1&2) Abbildung 10: Beispiel eines Fehlerbaumes Die in diesem Abschnitt beschriebenen Booleschen Rechenregeln der UND und ODER Verknüpfung für die Berechnung der zu erwartenden Häufigkeit des unerwünschten Ereignisses gelten analog für die Verzweigungswahrscheinlichkeiten. Die Wahrscheinlichkeit für die Nichtverfügbarkeit z.b. eines Sicherheitssystems ist dem unerwünschten Ereignis H u gleichzusetzen, wobei H ui die Nichtverfügbarkeit der einzelnen Systemkomponenten ist. Damit ein Ereignis aus einer UND Verknüpfung eintritt, müssen alle Unterzustände i eintreten. Dieses ist zum Beispiel für die Darstellung von redundanten Sicherheitssystemen wichtig, bei denen alle Subsysteme versagen müssen. UND-Verknüpfung: n P u Pu, i i 1 Ein Ereignis einer ODER Verknüpfung tritt ein, wenn mindestens einer der Unterzustände i eintritt. Bei Systemen, die mehrere Ursachen für ein Versagen haben, kommt zum Beispiel diese logische Verknüpfung zum Einsatz. ODER-Verknüpfung: n P u 1 1 Pu, i i 1 P U,Xi Unerwünschtes Ereignis (Versagenswahrscheinlichkeit im Verzweigungspunkt Xi) & Basisereignis 2 (Basic Event) P u2 1 Basisereignis 3 (Basic Event) P u Bestimmung der Nichtverfügbarkeit von Basisereignissen Zur Berechnung der Nichtverfügbarkeit z.b. eines Sicherheitssystems ist den Basisereignissen die Nichtverfügbarkeit der einzelnen Systemkomponenten zuzuordnen. Bei den Systemkomponenten wird prinzipiell zwischen technischen Komponenten und menschlichen Handlungen unterschieden.

17 Nutzerbezogene Objektanalyse 16 Zur Berechnung der Nichtverfügbarkeit der technischen Komponenten können existierende Statistiken über Ausfallraten, Ausfallzeiten sowie die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) herangezogen werden. Die menschliche Zuverlässigkeit bzw. deren Fehlhandlungswahrscheinlichkeit, die sog. human error probability (HEP), hat starken Einfluss auf die Versagenswahrscheinlichkeiten im Ereignisablauf. Dies ist darin begründet, dass die aktuellen technischen Systeme eine sehr hohe Zuverlässigkeit erreichen. Da in der Regel keine geeigneten Statistiken vorliegen, kann die Fehlhandlungswahrscheinlichkeit in Anlehnung an die Ausfallwahrscheinlichkeit technischer Komponenten entsprechend nachstehender Gleichung geschätzt werden: HEP mit: n N n N = Anzahl beobachteter Fehlhandlungen = Gesamtzahl der Durchführungen der Handlung Aufgabenbeschreibung in Abhängigkeit von den situativen Anforderungen und der kognitiven Belastung Einfache und häufig durchgeführte Aufgaben bei geringem Stress und genügend zur Verfügung stehender Zeit in gewohnten Situationen (z. B. ohne ablenkende oder störende zusätzliche Einflüsse) Komplexe und häufig durchgeführte Aufgaben in gewohnten Situationen mit geringem Stress und genügend zur Verfügung stehender Zeit, wobei eine gewisse Sorgfalt bei der Durchführung notwendig ist. Komplexere und regelmäßig durchgeführte Aufgaben in ungewohnten Situationen, bei hohem Stress oder geringer zur Verfügung stehender Zeit Komplexere und selten durchgeführte Aufgaben in ungewohnten Situationen, bei hohem Stress oder geringer zur Verfügung stehender Zeit Hochkomplexe oder sehr selten durchgeführte Aufgaben in ungewohnten Situationen, bei sehr hohem Stress oder geringer zur Verfügung stehender Zeit Fehlerwahrscheinlichkeit (HEP) 1*10E-3 1*10E-2 1*10E-1 3*10E-1 1*10E-0 Dies verlangt jedoch eine starke Abstrahierung, da der Mensch sich im Vergleich zur Technik durch eine deutlich höhere Variabilität und Komplexität auszeichnet. Fehlhandlungswahrscheinlichkeiten werden häufig als stetig verteilte Zufallsvariable angegeben. Für die menschliche Zuverlässigkeit wird in der Regel die logarithmische Normalverteilung angenommen. In Tabelle 4 sind exemplarisch Größenordnungen von Wahrscheinlichkeiten für menschliche Fehler angegeben. Die häufigsten Ursachen sind dabei Stress, Unwissenheit und Gleichgültigkeit. Tabelle 4: Übersicht Fehlerwahrscheinlichkeit HEP Visualisierung der Fehlerbäume Die erstellten Fehlerbäume setzen sich wie schon beschrieben aus UND- und ODER-Verknüpfungen, sogenannten Gates und Basisereignissen, den Basic Events, zusammen. Um diese in der Darstellung im Fehlerbaum auch zweifelsfrei erkennen und unterscheiden zu können, werden folgende Symbole bzw. Grafiken verwendet:

18 17 Nutzerbezogene Objektanalyse ODER-Verknüpfung OR-Gate UND-Verknüpfung AND-Gate Oder-Verknüpfung (Or-Gate) Ein Ereignis tritt ein, wenn mindestens einer der Unterzustände eintritt. Und-Verknüpfung (And-Gate) Ein Ereignis tritt nur dann ein, wenn alle Unterzustände eintreten. Alarm Tunnelsperrung Lüftung Stromversorgung Insgesamt wurden 45 Fehlerbäume aufgebaut. Abbildung 11 zeigt exemplarisch den Fehlerbaum keine Detektion. keine Detektion Gate520 Basisereignis Basic Event Basisereignis (Basic Event) Die Eintrittswahrscheinlichkeit wird außerhalb des Fehlerbaums bestimmt. Ueberwachung Fahrzeugtechnik erfolglos Gate521 Identifizierung der Ladung erfolglos Gate522 Wiederholtes Ereignis (mehrfaches Auftreten) Repeated Event Anschluss Fehlerbaum auf anderer Seite Transfer Gate Wiederholtes (Repeated Event) Ereignis Das Ereignis taucht mindestens zwei Mal im Fehlerbaum auf. Dies wird in den Berechnungen berücksichtigt Transfer Start Ein Transfer-Start Gate spaltet einen Fehlerbäume optisch auf. Visuelle Ueberwachung erfolglos Event649 Infrarot- Ueberwachung erfolglos Event650 RFID erfolglos Event651 Abbildung 11: Fehlerbaum keine Detektion Sonstige Detektion (Ladungsscanner)... Event652 Aufbau und Struktur der erstellten Fehlerbäume sind dem Anhang zu entnehmen. Anschluss Fehlerbaum auf anderer Seite Transfer OR-Gate Anschluss Fehlerbaum auf anderer Seite Transfer AND-Gate Transfer Ende Mit dem Transfer-Ende wird ein optisch neuer Baum eingeleitet, die Berechnungen dabei aber weitergeführt. Transfer Ende Mit dem Transfer-Ende wird ein optisch neuer Baum eingeleitet, die Berechnungen dabei aber weitergeführt. 5.4 Generierte Fehlerbäume Um möglichst zuverlässige Werte für die Verhinderung des Top-Events, also die Wahrscheinlichkeit der Freisetzung von Gefahrenstoffen zu prognostizieren und die Versagenswahrscheinlichkeit der einzelnen Systeme im Ereignisablauf zu bestimmen, werden folgende Fehlerbäume aufgebaut: Top Event nicht verhindert (präventiv) Branddetektion Chlordetektion

19 Nutzerbezogene Objektanalyse 18 6 Ermittlung szenariospezifischer Einwirkgrößen Da es sich bei den zu untersuchenden Szenarien um sehr seltene Ereignisse mit äußerst beschränkter Grundgesamtheit handelt und die zu erwartenden Schadensausmaße zudem objektspezifisch sind, erfordert deren Bestimmung den Einsatz von räumlich und zeitlich hochauflösenden numerischen Verfahren. Die Abbildung von kurzzeitdynamischen Vorgängen, wie sie im Fall von Explosionen auftreten, setzt die Verwendung von Hydrocodes voraus. Die Abbildung langsamer ablaufender Ereignisse, wie Brände und die Ausbreitung von Schadgasen, erfolgt mit Hilfe von CFD - Codes. Diese erlauben die Bestimmung der wesentlichen Einwirkgrößen wie Druck, Temperatur, Konzentrationen auf das Bauwerk und die Straßennutzer unter Berücksichtigung verschiedenster Randbedingungen. Neben der Geometrie lassen sich ferner unterschiedliche technische Einrichtungen, wie beispielsweise die Lüftung oder Löschsysteme in Tunnel, abbilden. In nachfolgender Abbildung 12 ist exemplarisch die Ausbreitung eines Propangasbrandes dargestellt. Abbildung 12: Exemplarische Ausbreitung eines Propangasbrandes im Tunnel

20 19 Nutzerbezogene Objektanalyse 6.1 Grundgleichungen und Algorithmen CFD-Berechnungen (FDS) Grundlage der Berechnungen zur Bestimmung der Druck-, Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsverteilungen im Raum sind die nachfolgend aufgeführten zeitabhängigen Erhaltungsgleichungen für Masse-, Impuls-, Energie- und Stofferhaltung. Massenerhaltung t u Stofferhaltung t Y l Impulserhaltung u t u Energieerhaltung h t Dp Dt q r 0 Yu l hu u k T p D l l Y l g h m Aufgrund ihrer Komplexität sind diese kontinuierlich formulierten Gleichungen nicht mehr analytisch lösbar und können nur näherungsweise mit Hilfe von numerischen Methoden gelöst werden. Hierzu müssen diese partiellen Differentialgleichungen zunächst diskretisiert werden, d.h., die in Raum und Zeit kontinuierlichen Differentialgleichungen werden nur noch an einer endlichen Anzahl von Punkten im Raum zu bestimmten Zeitpunkten betrachtet. Die zeitliche und räumliche Diskretisierung erfolgt mit Hilfe der Finiten Differenzen Methode, d.h. der Differentialquotient u x u x lim h 0 h,y h u x,y wird durch den Differenzenquotient u x u x approximiert. h,y h u x,y Die zeitliche Diskretisierung erfolgt hierbei mit einem expliziten Predictor-Corrector (Vorhersage- f l l D l Y l Korrektur) Verfahren 2-ter Ordnung. Die räumlichen Ableitungen werden durch Finite Differenzen zweiter Ordnung approximiert. Das resultierende lineare Gleichungssystem lässt sich dann iterativ lösen. Der verwendete Algorithmus zählt zu den sog. Druckkorrekturverfahren. Dabei wird ein nicht divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld mit Hilfe des Druckes durch Lösen einer Poissongleichung in ein divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld überführt. Im Einzelnen werden folgende Schritte bis zum Erreichen der vorgegebenen physikalischen Endzeit durchlaufen: 1. Festlegung der physikalischen Endzeit der Berechnung t end 2. Bestimmung der Zeitschrittweite t 3. Berechnung eines nicht divergenzfreien Geschwindigkeitsfeldes u (n) * 4. Iterative Lösung einer Poissongleichung für den Druck p (n+1) mit Hilfe des nichtdivergenzfreien Geschwindigkeitsfeldes u (n) * 5. Berechnung der Geschwindigkeiten u (n+1) durch Korrektur des vorläufigen Geschwindigkeitsfeldes mit Hilfe des Druckes p (n+1) 6. Berechnung von T (n+1), c (n+1),.. 7. Erhöhung der Zeit t um die Zeitschrittweite t 8. Wiederholung der Schritte 1-7 bis t end erreicht Die Zeitschrittweite bestimmt sich aus den folgenden nach Courant-Friedrichs-Lewy (1928) benannten Stabilitätsbedingungen t x u max t y v max z t. w max Danach darf sich ein Fluidteilchen innerhalb der Zeitschrittweite t um nicht mehr als eine Gitterweite x bewegen. Der Zeitaufwand zur Durchführung der Simulationsrechnungen resultiert somit aus der Zeitschrittweite t und den zur Lösung der Poissongleichung benötigten Iterationen. Typischerweise entstehen dadurch für ein Szenario PC-Rechenzeiten von 1 bis 3 Tagen. Bei dem zur Durchführung von Brand- und Ausbreitungsberechnungen verwendeten CFD Code Fire Dynamics Simulator (FDS) handelt es sich um ein Programm, das vom National Institute of Standards and Technology (NIST) des US Departement of Commerce speziell für die Simulation

21 Nutzerbezogene Objektanalyse 20 von Bränden entwickelt worden ist. Die Entwicklung des Codes begann vor ca. 30 Jahren und wird stetig fortgeführt. Seit Februar 2000 ist FDS als Open Source, d.h. ohne Lizenzgebühren, verfügbar. Die hier durchgeführten Berechnungen erfolgten mit den FDS-Versionen und Die aktuelle FDS-Version ist seit Oktober 2010 verfügbar. FDS ist derzeit das von Brandschutzingenieuren weltweit am meisten verwendete Brandsimulationsprogramm. Es wurde in zahlreichen Versuchsreihen validiert, u.a. im Rahmen des im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung durchgeführten Forschungsprojektes FE /2004/FGB [10]. Darin konnten sehr gute Übereinstimmungen zwischen Messwerten und Simulationswerten festgestellt werden Hydrocode-Berechnungen (Autodyn) Stoßwellen lösen im gestoßenen Festkörper komplexe Wellenfortpflanzungsvorgänge und - überlagerungen aus, die nicht mehr analytisch erfassbar sind und daher durch numerischen Näherungslösung berechnet werden müssen. Eine Beschreibung der Strukturdynamik erfordert somit eine mathematische Formulierung zur Beschreibung bewegter Körper und ihrer Wechselwirkungen zur Erfassung von: Geschwindigkeit und Dichte der bewegten Massen Verlauf der Deformationen und Deformationsgradienten Spannungsverläufen in der Struktur Kontakt- und Auflagerlasten in und an der Struktur Zustand der eingesetzten Werkstoffe während und nach der Belastung hinsichtlich Schädigung, Plastifizierung und Versagen Als geeignetes numerisches Berechnungsverfahren können sogenannte Hydrocodes mit explizitem zeitlichem Diskretisierungsverfahren verwendet werden. Dabei werden die grundlegenden Gleichungen der Fluiddynamik und der Konstitutivgesetze der Materialien in einem Rechenzyklus mit der Zeitschrittweite Δt berechnet. Um die Wellenfortpflanzung durch ein hinreichend kleines Zeitinkrement Δt mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen, wird der Zeitschritt so klein gewählt, dass die größtmögliche Informationsausbreitungsgeschwindigkeit zwischen zwei benachbarten Diskretisierungspunkten gegeben ist. Dann kann der Berechnungsablauf insofern vereinfacht werden, dass alle Systemmatrizen zu Diagonalmatrizen werden und damit jeder Diskretisierungspunkt unabhängig berechnet werden kann. Der Definition des Zeitschrittes Δt kommt damit eine zentrale Bedeutung zu, da im Rechenschritt des Hydrocode keine implizite Ermittlung von Gleichgewichtszuständen aller Diskretisierungspunkte mit Hilfe der Systemmatrizen erfolgt. Ein stabiles Kriterium zur Wahl des geeigneten Zeitschrittes liefert das Courant-Friedrichs-Levy Kriterium. Die Zeitschrittweite Δt muss hierbei kleiner sein, als das Verhältnis aus Elementlänge L el und der zugehörigen longitudinalen Schallwellengeschwindigkeit c el. t L c el el Mit Wahl der Zeitschrittweite Δt erhält man eine exakte Lösung. Kleinere Zeitschrittweiten ermöglichen zwar eine stabile Integration, aber ungenauere Lösungen, da die Informationsgeschwindigkeit zwischen den benachbarten Punkten nicht mehr der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit des Materials entspricht. Zu große Zeitschrittweiten führen nicht zur gewünschten Konvergenz. Auch in den verwendeten Hydrocodes werden die Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie in einem Zeitschritt mit explizitem Integrationsverfahren gelöst. Zusätzlich werden aber noch im gleichen Zeitschritt die konstitutiven Gleichungen vor die verwendeten Materialien sowohl bezüglich der Materialkompression als auch bezüglich der Materialverzerrung gelöst. Dies erfordert, dass der Spannungstensor im Hydrocode stets in einen hydrostatischen Spannungsanteil und einen deviatorischen Anteil aufgespalten werden muss. Abbildung 13 veranschaulicht die Gesamtheit der Abläufe, die vom Hydrocode in einem Zeitschritt vollzogen werden. Abbildung 13: Rechenzyklus der bei der expliziten Zeitintegration in jedem Zeitschritt Δt durchlaufen wird Zusammenfassend können folgende wesentliche Elemente der Berechnungsmethode als Charakteristika herausgestellt werden:

22 21 Nutzerbezogene Objektanalyse Lösung der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie Entkoppelte Betrachtung von hydrostatischen und deviatorischen Spannungen Formulierung einer nichtlinearen Zustandsgleichung zur korrekten Berechnung der Stoßwellenbildung und fortpflanzung Konstitutive Beziehungen für elastische, inelastische und ratenabhängige Materialeigenschaften Explizites Zeitintegrationsverfahren Eine numerische Behandlung zur Erfassung von diskontinuierlichen Stoßwellen im Kontinuum 6.2 Modellierung der Rechengebiete CFD-Modellierungen Um einen guten Kompromiss zwischen Rechenzeit und -genauigkeit zu erreichen wird ein Rechengitter mit einer Gitterweite von 0,50 m verwendet. Neben den Fahrzeugen und der Fahrbahnmarkierung werden im Tunnel ebenso die lüftungstechnische Ausstattung (Strahlventilatoren), Notausgänge, Fluchtwegkennzeichnung, Notrufnischen und die Beleuchtung modelliert (vgl. Abbildung 14, Abbildung 15). Schemaplan SKRIBT-Tunnel P o r t a l 1 P o r t a l Lüfter Notruf Notausgänge Fluchtwegkennzeichnung Abbildung 14: Schemaplan Tunnel

23 Höhe [m] Höhe [m] Nutzerbezogene Objektanalyse 22 Freigesetzter Stoff Detektionsdauer [s] Benzin 60 Propan 60 Chlor 120 Abbildung 15: Modellierungsbeispiel Tunnel Tunnel mit konstanter Längsneigung Da im Rechengebiet keine Längsneigungsänderungen auftreten, kann der g-vektor in dem für - 3 % Steigung notwendigen Maß gedreht werden Der Tunnel mit konstanter Längsneigung von -3 % in Fahrtrichtung weist daher trotz Höhenänderungen im 0,5 m Raster keine Stufen auf (vgl. Abbildung 16). Ein Tunnel mit konstanter, in Fahrtrichtung steigender Längsneigung wird nicht untersucht Höhenplan Tunnel mit konst. Längsneigung - 3,00 % Tabelle 5: TNT - Wasser 60 Detektionsdauer Die Längsströmungsgeschwindigkeit im Tunnel beträgt in Szenarien mit freiem Verkehr bei Simulationsbeginn 8,2 m/s. Dieser Wert entspricht der fahrzeuginduzierten Längsströmungsgeschwindigkeit. In Szenarien mit Stau beträgt die Längsströmungsgeschwindigkeit zu Beginn der Simulation 1 m/s. Dieser Wert wird durch die Tunnellüftung bis zum Zeitpunkt der Freisetzung aufrecht erhalten Tunnel mit Wanne (Unterwassertunnel) Wie in Abbildung 17 dargestellt weist der Unterwassertunnel einen Tiefpunkt in der Tunnelmitte auf. Da der Tunnel in einem Rechengebiet mit 0,50 m Gitterweite modelliert wird, ergeben sich für die beiden Rampen mit ± 3,00 % Steigung Stufen. 25 Höhenplan Unterwassertunnel Station [m] Fahrbahn-OK modelliert Decke-UK modelliert ± 3,00 % ± 3,00 % 10 Abbildung 16: Höhenplan Tunnel mit konstanter Längsneigung 5 Der Detektionszeitpunkt und die damit verbundenen Zeitpunkte der Alarmierung, sowie der Aktivierung der Brandventilation variieren in Abhängigkeit des freigesetzten Stoffes. Die Detektionszeiten sind in Tabelle 5 aufgelistet. Für Ereignisse mit Chlorfreisetzung wurde eine um eine Minute längere Detektionszeit angesetzt, als für die restlichen Ereignisarten. Dies gründet darauf, dass die automatische Detektion einer gefährlichen Chlorkonzentration im Tunnel binnen einer Minute unrealistisch ist. Es wird daher angenommen, dass zwei Minuten nach Beginn des Ereignisses eine Detektion und die damit einhergehende Alarmierung durch Tunnelnutzer bzw. vom Tunnelpersonal ausgelöst werden Abbildung 17: Höhenplan Unterwassertunnel Für die Längsströmungsgeschwindigkeit, den Detektions- und Alarmierungszeitpunkt sowie für die Aktivierung der Brandventilatoren gelten dieselben Bedingungen wie für den Tunnel mit konstanter Neigung Brücke Station [m] Fahrbahn-OK modelliert Decke-UK modelliert Fahrbahn-OK Decke-UK Ebenso wie die Modelltunnel wird die Brücke in einem 0,50 m Raster modelliert Die Brücke weist einen 6-streifigen Querschnitt mit Seitenstreifen auf. Die Fahrbahnoberkante des modellierten 150 m langen Brückenabschnitts befindet sich ca. 20 m über Grund. Abbildung 18 zeigt die Visualisierung

24 23 Nutzerbezogene Objektanalyse der Brückenmodellierung. Abbildung 18: Brücke Hydrocode-Modellierungen Eine wichtige Unterscheidung in der Art wie ein Kontinuum in numerischen Systemen beschrieben wird, liegt im Ansatz zur Beschreibung des Raumes und der darin abgebildeten Körper begründet. Es wird unterschieden zwischen köperfesten (Lagrange-) Netzen, in denen sich das Elementnetz mit dem Körper durch den Raum bewegt und verzerrt, und dem ortfesten (Euler-) Netz, durch das Massen in der Bewegung sozusagen hindurchfließen können. Diese Netze sind auch dann stets rechteckig. Die Wahl des Netzes mit seinen abzuwägenden definitionsimmanenten Vor- und Nachteilen ist abhängig von der Aufgabe, die numerisch beschrieben werden soll. Für die durchgeführten Berechnungen gilt, dass Luft und Sprengstoff stets in einem Euler-Gitter abgebildet wurden, alle weiteren Bauteile mit Hilfe von Lagrangschen Gittern. Die verwendete Netzfeinheit ist dabei stark abhängig von der betrachteten Problemstellung. Zum einen muss im numerischen System das Euler-Gitter so fein aufgelöst werden, dass die Sprengstoffinitiierung und Umwandlung ausreichend genau berechnet werden kann. Dazu sind Gittergrößen, abhängig von der Ladungsmenge, vom Submillimeterbereich bis in den Zentimeterbereich abzubilden. Zum anderen ist die Netzauflösung der Lagrang schen Netze durch die Belastungsart und den Aufbau eines Bauteiles definiert. Um zum Beispiel die korrekte Betonüberdeckung der Bewehrungslagen abzubilden, ist eine Netzgittergröße von 2,5 bis maximal 10 cm erforderlich. Es werden jedoch immer mindestens 8 Elemente über die Bauteilhöhe diskretisiert, um die Biegebeanspruchung bei Verwendung von Elementen mit linearem Verschiebungsansatz korrekt abbilden zu können. Abbildung 19: Oben: diskretisiertes Modell (grau=beton, rot = Brückenseile, gelb = Sprengstoff); Unten: Berechnungsergebnis (rot stark geschädigt, blau = intakt) 6.3 Modellierung der Initialereignisse / Freisetzungen Die abzubildenden Gefahrenstoffe werden in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften gemäß den im Anhang beigefügten Tabellen modelliert Benzinfreisetzung Um die Freisetzung und die Verbrennung des Gefahrenstoffs Benzin möglichst realistisch abbilden zu können, wurden die Brände im Vorfeld anhand anerkannter Formeln in Bezug auf Lachenbildung und Abbrandrate sowie anhand von Videos zu Brandereignissen kalibriert. Obwohl sich die in der Literatur angegebenen Formeln und Gleichungen jedoch fast ausschließlich auf die Freisetzung im Freifeld beziehen, werden die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die zu wählenden Parameter der numerischen Simulationssoftware eins zu eins für die Modellierung der Benzinfreisetzung im Tunnel übernommen. Für die Kalibrierung wird von einer Freisetzungsrate von 300 kg/s ausgegangen. Dies entspricht der spontanen Freisetzung gemäß Kapitel 2.3.

25 Nutzerbezogene Objektanalyse 24 Unter Berücksichtigung des Ereignisablaufs für den Ereignisfall Benzinfreisetzung sind für den Ist- Fall für die beiden Tunnelvarianten insgesamt 16, für die Brücke 3 CFD-Simulationen notwendig Vergleich Berechnung Die Freisetzungsrate entspricht der Abbrandrate multipliziert mit der Brandfläche abzüglich des Massenstroms durch z.b. eine Drainage. Hieraus ergibt sich folgender Ansatz: m mit: m A F m D m 300kg/s Freisetzungsrate m 0,055kg/(m 2 s) Abbrandrate 0 m D Brandstoffmassenstrom durch Drainage Wird nun die Gleichung nach der Brandfläche aufgelöst, so ergibt sich: A F m m m D , m mit einem Lachendurchmesser von D F = 83,34 m. In der Simulation, wird ein Lachendurchmesser von ca. 70 m erreicht, vgl. Abbildung m 75 m Abbildung 21: Lachendurchmesser, Freifeld, 300 kg/s Abbildung 20: Lachendurchmesser, Freifeld, 300 kg/s Vergleich Videos Wie den folgenden Abbildungen zu entnehmen ist, verhalten sich der simulierte und der reale Benzinbrand im zeitlichen Verlauf sehr ähnlich, sowohl in den Flammendurchmessern als auch in der Rauchentwicklung Propanfreisetzung Um die Freisetzung und die Verbrennung des Gefahrenstoffs Propan möglichst realistisch abbilden zu können, mussten die Brände im Vorfeld anhand anerkannter Formeln in Bezug auf Flammenausbreitung und -durchmesser sowie anhand Videos von Brandereignissen kalibriert werden. Obwohl sich die in der Literatur angegebenen Formeln und Gleichungen jedoch fast ausschließlich auf die Freisetzung im Freifeld beziehen, werden die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die zu wählenden Parameter der numerischen Simulationssoftware eins zu eins für die Modellierung der Propanfreisetzung im Tunnel übernommen. Für die Kalibrierung wird von einer Freisetzungsmenge von kg ausgegangen. Dies entspricht einem vollgeladenem Propantransport gemäß Kapitel 2.3. Unter Berücksichtigung des Ereignisablaufs für den Ereignisfall Propanfreisetzung sind für den Ist- Fall für die beiden Tunnelvarianten insgesamt 16, für die Brücke 3 CFD-Simulationen notwendig.

26 25 Nutzerbezogene Objektanalyse Vergleich Berechnung Durchmesser, Branddauer und -leistung einer spontanen Propanfreisetzung ergeben sich rechnerisch aus folgenden Ansätzen: Vergleich Videos Wie den folgenden Abbildungen zu entnehmen ist, verhalten sich der simulierte und der reale Propanbrand in der Flammenbildung sehr ähnlich. d fire 0,325 6,48 mbleve Durchmesser t Branddauer fire 0,26 0,852 mbleve P Brandleistung BLEVE 0,74 1,174 hc mbleve Bei einer Gesamtmasse von kg Propan und einem Heizwert h c von 46,3 MJ/kg ergeben sich folgende Werte für die gesuchten Lösungen: d fire 156 m t fire 10, 8s P BLEVE MW Das Rechengebiet, vgl. Abbildung 22, weist eine quadratische Grundfläche von 150 m * 150 m, bei einer Höhe von 300 m auf. Der Durchmesser des BLEVE, der sog. boiling liquid expanding vapor explosion, beträgt somit, wie auch in der Berechnung, ca. 150 m. Abbildung 23: Lachendurchmesser, Freifeld, 300 kg/s TNT-Freisetzung Die Umsetzung des Detonationsvorganges im Hydrocode erfolgt durch die Abbildung von Luft und Sprengstoff in einem Euler Gitter. Die Validierung der numerisch korrekten Beschreibung dieses Freisetzungsvorganges wurde bereits in zahlreichen Veröffentlichungen aufgezeigt. Die abgebildete, den Sprengstoff umgebende Luft wird dabei mit der idealen Gasgleichung beschrieben: p ( 1) e Abbildung 22: Flammendurchmesser, Freifeld, kg Die Form beschreibt dabei die Abhängigkeit des Drucks p von der Dichte und spezifischer innerer Energie über den Adiabatenexponent.

27 Nutzerbezogene Objektanalyse 26 Der Sprengstoff selbst wird im Ausgangszustand als Festkörper diskretisiert. Den Übergang des Sprengstoffs vom Festkörper auf ein stark expandiertes Gas mit Abbildung der Detonationsfront beschreibt die Zustandsgleichung nach Jones- Wilkins-Lee. p 1v C1 1 e C2 1 rv 1 r v e r 2 2 r v e v Die Parameter C1, r1, C2, r2 und sind für viele Standardsprengstoffe empirisch ermittelt und dokumentiert. Der Übergang der stofflichen Beschreibung des Sprengstoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatszustand, mit den dazugehörigen Stoffgleichungen, wird vom numerischen Verfahren selbstständig durchgeführt Chlorfreisetzung Die Chlorfreisetzungen werden durch Lösen der Erhaltungsgleichung bestimmt, somit ist für diesen Stoff keine weitere Kalibrierung erforderlich. Sowohl Diffusion als auch Dichte von Chlor werden hierbei berücksichtigt. Es kommt somit zu schwergastypischen Ausbreitungen. Die verwendete numerische Strömungssimulationssoftware FDS wurde mittels Tracergas validiert. Hierbei konnte eine sehr gute Genauigkeit zwischen Ausbreitungsversuchen und Simulationsergebnissen nachgewiesen werden. In Abbildung 24 ist eine spontane Freisetzung von Chlorgas auf der Modellbrücke abgebildet. modelliert, die jede beliebige Steigung annehmen können. Dies war möglich, da OpenFOAM eine derartige Modellierung zulässt. Abbildung 25 zeigt die Modellierung des Tunnels mit Wannenausrundung. Abbildung 25: Modellierung Tunnel mit Wanne für Szenario Wasserfreisetzung Windeinfluss Zur Simulation hoher Windgeschwindigkeiten wird die Luftgeschwindigkeit an einer der vier vertikalen Seitenflächen des Simulationsraumes auf einen Wert größer Null gesetzt. Dieser Wert variiert höhenabhängig (höhenabhängiges Windprofil). Diese konstante Luftgeschwindigkeit am Rand des Rechengebiets beschleunigt die Luftpartikel im gesamten Rechengebiet, sodass die Luftpartikel mit der am Rand des Rechengebiets gesetzten Geschwindigkeit auf die modellierten Brückenflächen prallen. Es werden zwei Windrichtungen simuliert: parallel sowie orthogonal zur Fahrbahnlängsachse. Abbildung 24: Chlorfreisetzung, Brücke Unter Berücksichtigung des Ereignisablaufs für den Ereignisfall Chlorfreisetzung sind für den Ist- Fall für die beiden Tunnelvarianten insgesamt 16, für die Brücke 3 CFD-Simulationen notwendig Wassereintritt Der CFD-Code FDS ist zur Simulation von Ereignissen mit großen Wassermengen nicht geeignet. Zur Simulation von Szenarien mit Überflutung wurde daher der CFD-Code OpenFOAM verwendet. Zugunsten der Simulationsergebnisse wurde der Tunnel mit Wannenausrundung mit Polygonen

28 27 Nutzerbezogene Objektanalyse 7 Schadensausmaßermittlung 7.1 Evakuierungssimulation Zur Ermittlung der Schadensausmaßen bzgl. Der Nutzer wurde die mikroskopische Verkehrsflusssimulationssoftware VISSIM um das Modul Evakuierungssimulation erweitert. Ergebnis ist erstmalig eine mikroskopische, zeitschrittorientierte, verhaltensbasierte Simulation der Evakuierung eines Tunnels bei Freisetzung von unterschiedlichen Leitstoffen. Abbildung 26 zeigt das VISSIM- Hauptfenster mit einer importierten Fluchtsimulationsdatei vor Beginn der Simulation. Zur Schadensausmaßermittlung wurden für dieses Arbeitspaket insgesamt 276 Simulationen durchgeführt. Die Simulationsdauer einer Simulation beträgt abhängig von der Prozessorleistung und der Anzahl simulierter Personen 5-30 Minuten. Bewertung ab. Es existieren also psychologische (social force) und physikalische Komponenten, die bei der Modellierung beachtet werden müssen. Nachfolgende Abbildung 27 zeigt schematisch die Prozesse, die zu einer Verhaltensänderung führen. Stimulus Psychische / Mentale Prozesse Wahrnehmen und Erkennen der Situation / Umwelt Informationsverarbeitung Begreifen Psychische Spannung Entscheidung Persönliche Ziele / Interessen Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung Abbildung 27: Prozessablauf zur Verhaltensänderung Die Bewegung der Fußgänger bestimmt sich im Social Force Modell über folgende Kraftfelder: dv t dt mit: f 0 f f b i f i f att Abbildung 26: VISSIM-Hauptfenster mit importierter Fluchtsimulationsdatei Die in die Fluchtsimulation eingehenden Modelle werden im Folgenden beschrieben. 7.2 Bewegungsmodell Das in VISSIM implementierte Fußgängermodell basiert auf dem von Helbing und Molnár entwickelten Social Force Modell (1995). Die Bewegungen von Fußgängern werden darin basierend auf Ansätzen aus der Newton-Dynamik durch unterschiedliche Kräfte modelliert. Da Fußgänger in der Regel zielgerichtet mit einer Wunschgeschwindigkeit auf ein Ziel zulaufen, wird diese Bewegung mit Hilfe einer Antriebskraft abgebildet. Auf dem Weg zu ihrem Ziel können jedoch unterschiedliche Einwirkungen dazu führen, dass sich die Route beispielsweise durch Abstandhalten zu anderen Fußgängern und räumlichen Begrenzungen oder durch weitere Reize bzw. Attraktionen verändert. Die Routenwahl hängt somit sowohl von der individuellen Wahrnehmung als auch von der individuellen 0 f : Antriebskraft: f : Abstoßende Kraft zwischen Fußgängern f b : Abstoßende Kraft zu räumlichen Begrenzungen f i : Anziehende Kraft zur Berücksichtigung von attraktiven Effekten att f : Anziehende Kraft zur Berücksichtigung von Gruppenverhalten : Fluktuationsterm zur Berücksichtigung von individuellem Verhalten Für die in der Fluchtsimulation zugrunde gelegten Personengeschwindigkeiten werden in VISSIM verfügbare Geschwindigkeitsverteilungen für Fußgänger verwendet. Für die im Projekt SKRIBT betrachteten Szenarien eines unerwünschten Ereignisses im Tunnel wie Überflutung, Austreten von Schadstoffen, Brand etc. fehlen jedoch abstoßende Kräfte, die z.b. das Zurückweichen von Personen vor Feuer und

29 Temperatur [ C] Untere Grenze Trommelfellriss Untere Grenze Lungenschäden 50%Trommelfellriss 1% Letalität 10% Letalität 50% Letalität 90% Letalität 99% Letalität Überdruck [kpa] Nutzerbezogene Objektanalyse 28 Rauch beschreiben. Zur Abbildung derartiger Effekte wird das Bewegungsmodell durch die Implementierung zusätzlicher Wirkungs- und Wahrnehmungsmodelle erweitert. Diese werden im Folgenden erläutert. 7.3 Wirkungsmodell (externe Faktoren) Druck In der nachfolgenden Abbildung 28 sind die zu erwartenden Personenschäden in Abhängigkeit des Überdrucks dargestellt. Daraus wird ersichtlich, dass ab einem Überdruck von 350 kpa 99% der sich im Wirkungsbereich befindenden Personen tödlich verletzt werden. Die Erhöhung der Umgebungstemperatur kann in Abhängigkeit von der Expositionsdauer zu Verbrennungen oder Wärmestaubildung im menschlichen Organismus führen. Im Allgemeinen führen kurze Expositionszeiten aufgrund der körpereigenen Wärmekapazität zu keiner signifikanten Erhöhung der Körpertemperatur. Jedoch können bereits kurze Expositionszeiten zu Verbrennungen auf der Haut und im Atemtrakt führen Personenschäden infolge Überdruck Temperatur Abbildung 28: Letalitäten infolge Überdrucks Die nachfolgende Abbildung 29 zeigt die zu erwartenden Letalitäten infolge Temperatureinwirkung nach Purser. Es zeigt sich, dass Temperaturen über 100 C nur für einen sehr kurzen Zeitraum durch den menschlichen Organismus ausgehalten werden können Purser 150 Trockene Luft Feuchte Luft Expositionsdauer [min] Abbildung 29: Letalitäten infolge Temperatureinwirkung

30 Konzentration Cl 2 [ppm] 29 Nutzerbezogene Objektanalyse Konzentrationen Die Bestimmung von Letalitäten infolge Schadstoffexposition erfolgt z. B. auf Basis sog. Probit- Funktionen. Hierbei werden mittels des aus der Statistik bekannten Probitmodells funktionale Zusammenhänge zwischen Schadstoffkonzentrationen und Einwirkdauer in Abhängigkeit zu erwartender Letalitäten berechnet. Mit Hilfe des Integrals zur Dosis und der Probit-Variable Y lassen sich die Grenzkonzentrationen in Abhängigkeit der Expositionsdauer und der zu erwartenden Letalitäten bestimmen. Die verwendeten Modelle sind darzustellen und ihre Eignung zu belegen. Folgende Gleichung dient zur Berechnung der auf Personen einwirkenden Dosis. Auf Basis von Untersuchungen durch Jin, T. [53] hat Mayer [12] gezeigt, dass die Fluchtgeschwindigkeit unmittelbar abhängig ist von der vorhandenen Sichtweite. Wie aus Abbildung 31 ersichtlich, ist ab einer Sichtweite von 10 m mit einem drastischen Rückgang der Fluchtgeschwindigkeit zu rechnen. Dosis t ende t0 C n dt Mit: C: Konzentration [ppm] t: Expositionszeit [s] und der Probit-Variable Y Y = k 1 + k 2 ln(dosis) mit: Y 99 = 8 Y 50 = 5 sowie der in Tabelle 6 aufgeführten Probit Konstanten. Stoffbezeichnung K1 K2 N Chlor -8,29 0,92 2,00 Ammoniak -35,9 1,85 2,00 Tabelle 6: Probit Konstanten Nachfolgende Abbildung 30 zeigt die zu erwartenden Letalitäten infolge Chlorexposition % Letalität 50 % Letalität Abbildung 31: Zusammenhang zwischen Sichtweite und Fluchtgeschwindigkeit für reflektierende Objekte [12] Abhängig von der Rauchzusammensetzung ist bei einer starken Irritation der Augen, wie sie bei real ablaufenden Fahrzeugbränden i.d.r. anzutreffen ist, bei ca. 5 m Sichtweite keine Fortbewegung mehr möglich. Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch, dass eine Orientierungslosigkeit schon deutlich früher einsetzt. Ein gezieltes Aufsuchen von Notausgängen ist nur möglich, wenn diese auch erkannt werden, bzw. entsprechende Einrichtungen den Flüchtenden dorthin führen. Für den Flüchtenden im Tunnel bedeutet dies, dass er mindestens die Fluchtwegkennzeichen wahrnehmen können muss. Bei einem Abstand von 25 m müssen diese daher im Extremfall auf mindestens diese Entfernung vom Flüchtenden erkannt werden. 7.4 Psychologische Modelle zum Fluchtverhalten Abbildung 30: Letalitäten infolge Chlorexposition Sichtweite Zeit t [min] Allgemeines Das Verhalten in Extremsituationen erfordert eine komplexe und umfassende Theorie, die Prozesse der Wahrnehmung, Kognition, Emotion, des Gedächtnisses sowie physiologische Veränderungen und soziale Einflussfaktoren nicht nur zu einem gegebenen Zeitpunkt, sondern auch im Zeitverlauf berücksichtigt. Ein solch umfassendes Modell existiert noch nicht, doch sind für einzelne Bereiche Theorien elaboriert und empirisch überprüft worden. Um das Fluchtverhalten adäquat abbilden zu können, müssen neue Ansätze entwickelt und bereits bestehende Modelle integriert und auf Interaktionen und Abhängigkeiten überprüft werden.

31 Nutzerbezogene Objektanalyse 30 Verhaltensforschende Untersuchungen von Menschen in Extremsituationen zumal in empirisch relevantem Umfang sind ethisch problematisch und rechtlich fragwürdig. Dem Ziel einer vollständigen Theorie komplexen Verhaltens in Katastrophensituationen kann man sich nur begrenzt annähern. Hingegen scheint die Entwicklung einer relationalen Theorie, die Beeinflussungsmöglichkeiten und Ansatzpunkte für Maßnahmen berücksichtigt, ein realistisches und lohnenswertes Ziel. Im Folgenden werden verschiedene Modelle zur Wahrnehmung und zum Fluchtverhalten dargestellt und in die Fluchtsimulation integriert Wahrnehmungsmodell (Sichtweitenmodell) Das erfolgreiche Reagieren auf äußere Einflüsse setzt das Wahrnehmen und Erkennen von Situationen und Informationen voraus. Neben individuellen Faktoren ist dies auch von lokal vorherrschenden Bedingungen abhängig. Das Grundmodell wird daher um ein Sichtprüfungs- und Erkennungsmodell erweitert, um beispielsweise Verdeckungen durch Fahrzeuge und Rauch sowie Informationsinhalte auf Schildern berücksichtigen zu können. Dadurch lassen sich Änderungen bei der Routenwahl realistisch wiedergeben. Die nachfolgende Abbildung 32 skizziert das verwendete Sichtweitenmodell. Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 1 Objekt 4 Objekt 2 Objekt 6 Kollision Person Objekt 3 Nicht sichtbarer Bereich Sichtbare Bereich Objekt 7 Objekt 5 sichtbar nicht sichtbar Abbildung 32: Sichtbarer und nicht sichtbarer Bereich im Sichtweitenmodell Im Falle eines Brandereignisses nehmen simulierte Tunnelnutzer im Bereich ihrer Sichtweite Flammen, sichtbare Gase, sowie die Sichtverhältnisse aufgrund von Verrauchung wahr. Diese Informationen werden an das Verhaltensmodell (siehe nächstes Unterkapitel) weitergegeben und beeinflussen dort den Wert des Arousal. Abbildung 33 zeigt die Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Benzinbrand. Farblich dargestellt ist die Sichtweite im Tunnel. Abbildung 33: Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Benzinfreisetzung

32 31 Nutzerbezogene Objektanalyse Verhaltensmodell Grundlage für das Verhalten in einer Gefahrensituation ist der Handlungsimpuls, bei Gefahr Distanz zur Gefahrenquelle herzustellen. Der Zusammenhang zwischen subjektiv geschätzter Gefahr und dem Handlungsimpuls der Distanzvergrößerung scheint ein fundamentales und universelles Schema zu sein. Bei Gefahrensituationen in Tunneln allerdings ist zu berücksichtigen, dass nicht alle Personen die Gefahr korrekt einschätzen und sich deshalb zur Gefahr hin begeben (Orientierungsverhalten), im Auto passiv abwarten oder auf der Fahrbahn stehenbleiben. Diese Verhaltensmuster sind rational und funktional, wenn sie der Verbesserung der Informationslage dienen. Allerdings ist im Tunnel z.b. die Rauchentwicklung extrem gefährlich, so dass die Selbstevakuierung so schnell wie möglich gestartet werden sollte. Andernfalls ist mit hohen Mortalitäts- und Morbiditätsraten zu rechnen. Dies spiegelt sich nicht nur in Analysen von bisherigen Brandkatastrophen wieder, sondern auch in experimentellen Untersuchungen in Virtueller Welt und Realität [15]. Ein geeignetes Modell zum Fluchtverhalten im Tunnel muss also berücksichtigen, dass angesichts einer Gefahr möglicherweise impulsiv reagiert wird und bei ambivalenten Reizen ein heterogenes Verhaltensmuster entsteht. Zur Entwicklung eines Modells zum Fluchtverhalten im Tunnel wird auf etablierte Modelle zur Handlungssteuerung Bezug genommen, welche einen impulsiven und einen reflektiven Weg der Handlungssteuerung postulieren. Impulsiver und reflektiver Weg interagieren und sind gemeinsam dafür verantwortlich, dass auf verschiedene Anforderungen der Umwelt flexibel und adäquat geantwortet werden kann [16]. Ob eine Person impulsiv oder reflektiv handelt ist durch den Wert des sog. Arousal bestimmt. Unter Arousal versteht man ein Kontinuum psychischer Erregung. Je höher das Arousal ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für impulsives Verhalten [17], das sich in unkoordinierter Flucht (bspw. zum Tunnelportal) äußert. Der impulsive Weg beschreibt eine unmittelbar erfolgende Handlung, bedingt durch sehr hohe psychische Erregung (Arousal), die unabhängig von subjektiven Bewertungen oder der geschätzten Erfolgswahrscheinlichkeit ausgeführt wird. Ein Beispiel sind Panikreaktionen, in denen Personen unkoordiniert flüchten anstatt möglicherweise näherliegende Fluchtwege zu benutzen [18]. Diese automatisierten Entscheidungen basieren auf etablierten Handlungsroutinen und leicht zugänglichen Gedächtnisinhalten und sind in der akuten Situation kaum beeinflussbar. Demgegenüber steht der reflektive Weg von Handlungsentscheidungen, der bei mittlerem Arousal eingeschlagen wird. Hierbei sind subjektive Einschätzungen der Situationen und individuelle Coping-Möglichkeiten relevant für die Handlungssteuerung. Zur Verfügung stehen alle Gedächtnisinhalte; Handlungsroutinen können flexibel und situationsadäquat unterbrochen oder modifiziert werden. Entscheidend zur Selektion einer Handlungsoption ist die geschätzte Erfolgswahrscheinlichkeit. Zur Ausdifferenzierung des reflektiven Wegs werden die erfolgreichen Simulationen komplexen Verhaltens von Dörner [19] berücksichtigt, ebenso wie das transaktionale Stressmodel von Lazarus [20], das externe und interne Faktoren integriert. Das theoretische Gesamtmodell zum Fluchtverhalten ist in Abbildung 34 dargestellt: Abbildung 34: Verhaltensmodell zum Fluchtverhalten Um auf eine Gefährdung reagieren zu können, muss zunächst die Gefahrenquelle wahrgenommen werden. Anschließend durchläuft die Person verschiedene Bewertungsprozesse, die die Höhe des Arousals bestimmen und von Faktoren, die in der Person selbst (interne Faktoren) und der Situation (externe Faktoren) liegen, beeinflusst werden. Entscheidend, ob der impulsive Weg eingeschlagen wird, ist die Bewertung der Bedrohung der Situation (Primäre Bewertung). Diese Bewertung der Situation sowie die Risikowahrnehmung werden durch verschiedene externe Faktoren beeinflusst (s.u.). Nach der Bewertung der Situation, muss eine Person entscheiden, ob sie über Ressourcen verfügt, die Situation zu bewältigen (Sekundäre Bewertung). Werden die eigenen Ressourcen als nicht ausreichend zur Bewältigung eingeschätzt, entsteht Stress (Tertiäre Bewertung). Sekundäre und Tertiäre Bewertungen stellen den reflektiven Weg dar und werden von internen Faktoren, wie z.b. der Ängstlichkeit und dem Vorwissen einer Person beeinflusst (s.u.). Im Folgenden wird das Arousal durch die Summe aus externen und internen Faktoren bestimmt. Die

33 Nutzerbezogene Objektanalyse 32 externen Faktoren werden durch die Addition von Risikowahrnehmung und sozialem Einfluss berechnet, während die internen Faktoren aus der Summe von Ängstlichkeit, Selbstwirksamkeit, Selbstregulation, Vorwissen und Erfahrung bestehen. Ist das Arousal (Reaktionspotential) größer als ein definierter cut-off Wert, dann entsteht impulsives Verhalten. Ist er kleiner, wird der reflektive Weg aktiv und errechnet sich aus einer Multiplikation des Arousal mit der Erfolgswahrscheinlichkeit. Ist einer der Multiplikatoren Null so wird keine offen sichtbare Reaktion erwartet Sozialer Einfluss Grundsätzlich muss man davon ausgehen, dass sozialer Einfluss auftritt, sobald das Verhalten einer oder mehrerer anderer Person wahrnehmbar wird. Jede anwesende Person ist sozialem Einfluss ausgesetzt und nimmt selbst gleichzeitig Einfluss. Man muss also von einem komplexen Gefüge verschiedener Wirkmechanismen ausgehen, so dass Aussagen über die konkreten Auswirkungen nur schwer zu treffen sind. So ist beispielsweise zu differenzieren, wie viele Personen in einer Gefahrensituation welches Verhalten zeigen. Der soziale Einfluss spielt bei allen Entscheidungen unter Unsicherheit eine große Rolle. So genannte Herdeneffekte können auftreten, wenn mehrere verunsicherte Personen Entscheidungen in Gefahrensituationen treffen müssen. Dann neigen die Personen dazu, ein von einzelnen Personen gezeigtes Verhalten für sich selbst zu übernehmen, ohne nochmals genauer zu evaluieren, ob das Verhalten zielführend ist. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass Notausgänge nicht effizient genutzt werden [21]. Andererseits kann der Herdeneffekt auch positive Wirkung haben, so konnte experimentell in Real-Life-Untersuchungen im Tunnel nachgewiesen werden, dass die Entscheidung einer einzelnen Person zu fliehen, die Trägheit der Masse überwinden kann [22] Ängstlichkeit Ängstlichkeit ist eine wichtige Determinante des Arousals: Ängstlichkeit interagiert mit der Risikowahrnehmung [23], indem durch Aufmerksamkeitsfokussierung nicht nur die Wahrnehmungsschwelle gesenkt wird, sondern auch ein Antwortbias entstehen kann (d.h. ambivalente Situationen werden mit größerer Wahrscheinlichkeit als gefährlich eingestuft). Zugleich schwächt nach der Processing Efficiency Theorie [24] Angst die Informationsverarbeitung, da durch sie kognitive Ressourcen beansprucht werden, die dann für weitere Aufgaben nicht mehr verfügbar sind [25]. Eine mögliche Folge ist beispielsweise, dass Menschen mit ausgeprägter Tunnelangst Sicherheitssignale schlechter wahrnehmen [26]. Dies erhöht zusätzlich den empfundenen Stress und somit die Wahrscheinlichkeit für impulsives Verhalten, das nicht an rationalen Entscheidungskriterien ausgerichtet ist. Neben allgemeiner Ängstlichkeit als Persönlichkeitseigenschaft besteht im Tunnel eine besondere Situation, da Dunkelheit und Enge als per se angstauslösend angesehen werden können. Rund 30% der Tunnelnutzer fühlen sich im Tunnel unwohl [27]. Analog dazu kann die Konfrontation mit Höhe bzw. Brückenbauwerke bei einigen Personen Angstsymptome auslösen [28]. Bei den meisten finden sich keine somatischen Angstsymptome oder Vermeidungsverhalten. Ist die Angst allerdings übermäßig, überdauernd, nicht zu bewältigen und führt sie zu Einschränkungen im Leben, dann wird nach der internationalen Klassifizierung von Erkrankungen, ICD-10 [29] eine spezifische Phobie vom situativen Typus Klaustrophobie Tunnelphobie bzw. Brückenphobie (F40.2) diagnostiziert. Bei hochängstlichen Personen treten meist neben der subjektiv erlebten Angst vielfältige somatische Symptome auf, die durch Übererregung des sympathischen Nervensystems entstehen. Symptome sind Tachykardie, Palpitationen, Engegefühl, Thoraxschmerzen, Beklemmungsgefühl, subjektive Atemnot, Schwitzen, Zittern (feinoder grobschlägiger Tremor), abdominale Beschwerden, Übelkeit, verminderte Belastbarkeit, Schwächegefühl, Hitze-, Kälteschauer, Mundtrockenheit oder Schwindel. Sekundär entstehen psychosoziale Beeinträchtigungen durch ausgeprägte Erwartungsangst und Vermeidungsverhalten. Allgemeine Ängstlichkeit und Angst kann in Untersuchungen zum einen durch etablierte Fragebogenverfahren [30], zum andern durch Verfahren zur spezifischen Messung der Angst vor Tunnelfahrten bzw. großen Höhen und Brückenbauwerken [31] valide erfasst und quantifiziert werden Selbstwirksamkeit Selbstwirksamkeit ist ein zentrales Konzept, das nicht nur die subjektiven Einschätzungen und Gedanken, sondern auch das emotionale Arousal, das Ausmaß an Stresserleben, das Entscheidungsverhalten, die Stärke der Anstrengung und somit auch die Handlungssteuerung immanent beeinflusst [32]. Die Selbstwirksamkeit bezeichnet die subjektive Erwartung, in Situationen etwas bewirken und selbständig handeln zu können. Komponenten der Selbstwirksamkeit sind die Kontrollund Kausalitätsüberzeugung. Unter Kontrollüberzeugung wird die subjektive Einschätzung, selbst Einfluss auf eine Situation nehmen zu können, verstanden [33]. Die Begriffe können allerdings nicht gleichgesetzt werden: So bezeichnet Kontrollüberzeugung die Einschätzungen einer Person,

34 33 Nutzerbezogene Objektanalyse dass eine Situation an sich zu bewältigen ist, wohingegen Selbstwirksamkeit die Einschätzung des Einflussnahmepotentials der eigenen Person meint. Es ist demnach möglich, dass eine Person zwar von der grundsätzlichen Kontrollierbarkeit einer Situation überzeugt ist, aber dennoch keine Selbstwirksamkeit erwartet. Die Kausalitätsüberzeugung ist die Einschätzung der möglichen Kontrollierbarkeit einer Situation unabhängig von den individuellen Bewältigungsmöglichkeiten. Bspw. ist das Vertrauen der Tunnelnutzer in den Tunnel ein Indikator der Kausalitätsüberzeugung. Wenn ein Nutzer glaubt, Tunnel sind so gestaltet, dass man sich in Gefahrensituationen retten kann, verfügt er über eine hohe Kausalitätsüberzeugung und in Abhängigkeit der Einschätzung eigener Ressourcen (Kontrollüberzeugung) unter Umständen auch über eine gute Selbstwirksamkeitserwartung, die reflektives Verhalten begünstigt [34]. Geht eine geringe Selbstwirksamkeitserwartung mit hoher Risikowahrnehmung einher, resultieren nicht nur höhere Angstwerte, sondern auch eine erhöhte Bereitschaft zur Informationssuche bei gleichzeitig niedrigerer Fähigkeit relevante Hinweise zu entdecken [35]. Selbstwirksamkeit, Kontroll- und Kausalitätsüberzeugung sind Bestandteile des transaktionalen Stressmodels [36]. Die Entstehung von Stress wird in verschiedene Phasen unterteilt, in denen Bewertungsprozesse einer Person eine große Rolle spielen: Ausgangspunkt ist ein wahrnehmbarer Reiz. Dieser Reiz wird in einer primären Bewertungsstufe zum Stressor, wenn er als wenig vorhersagbar, wenig kontrollierbar und potentiell schädigend angesehen wird. In einer sekundären Bewertungsstufe werden die körperlichen, intellektuellen, sozialen und materiellen Ressourcen und Bewältigungsmöglichkeiten eingeschätzt. Wenn die Auswirkungen des Stressors größer sind als die Ressourcen, entsteht auf der tertiären Bewertungsstufe Stress (siehe auch Abbildung 34). Stress ist gekennzeichnet durch subjektive Bewertungen, physiologische Veränderungen (z.b. Herzrate, Hautleitfähigkeit) und auf behavioraler Ebene, die Aufgabe oder Erschwerung zielgerichteten Verhaltens. Stress geht also einher mit hohem Arousal und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für impulsives Verhalten. Überwiegen jedoch die Ressourcen (hohe Kontroll- und Kausalitätsüberzeugung), wird reflektives Verhalten begünstigt. Die Art, wie ein Stressor und die Ressourcen eingeschätzt werden, beeinflusst also maßgeblich die Selektion der Handlungsoptionen und die Bewältigung der Situation [37]. Der Kontrollüberzeugung kommt dabei eine doppelte Funktion zu: Sie ist nicht nur entscheidend für die Stressentstehung, sondern auch für die Wahrscheinlichkeit der Umsetzung von Handlungsintentionen in behaviorale Aktionen. Je größer die wahrgenommene Kontrolle ist, desto wahrscheinlicher ist die Handlungsausführung [38]. Die beiden wohl bekanntesten Formen von Bewältigungsstrategien sind problemorientiertes und emotionsorientiertes Coping (Bewältigung) [39]. Problemorientiertes Coping bezieht sich direkt auf die Handlung, die dabei hilft, die Bedrohung oder den Stressor zu entfernen oder zu vermindern. Emotionsorientiertes Coping wird vor allem in als unkontrollierbar erlebten Situationen angewendet und zielt nicht darauf, das Problem zu lösen, sondern darauf, die Gefühle und Gedanken über die Situation zu verändern oder zu bewältigen. Die beiden Copingstrategien sollten als sich ergänzend und nicht als sich ausschließend betrachtet werden [40]. Generell ist es von Vorteil, unterschiedliche Strategien zur Verfügung zu haben und Maßnahmen zur Förderung problemorientierten Copings und zur Deaktivierung emotionsorientierten Copings für Gefahrensituationen in Tunneln zu entwickeln. Sowohl Selbstwirksamkeit als auch Coping- Verhalten können valide, reliabel und objektiv durch standardisierte Messverfahren quantifiziert werden [41] Selbstregulation Die Selbstregulationsfähigkeit beschreibt die Fähigkeit, trotz stressreicher Situationen proaktiv und planvoll zu handeln sowie eigene Ziele zu verfolgen. Eine Person, die in der Lage ist, ihre unangenehmen Gefühle zu beherrschen, reguliert trotz negativer tertiärer Bewertung im transaktionalen Stressmodell (s.o.) ihr Arousal nach unten und erhöht somit ihre Handlungskompetenz. Es zeigt sich ein Zusammenhang zur Selbstwirksamkeit und zur Ängstlichkeit, doch scheint die Selbstregulationsfähigkeit über diese Korrelationen hinaus einen bedeutsamen eigenen Beitrag zur Handlungssteuerung zu leisten [42]. Die Fähigkeit zur Selbstregulation ist durch einen standardisierten Fragebogen quantifizierbar [43] Wissen und Erfahrung Wissen und Erfahrung werden meist zusammengefasst, doch zeigen sich fundamentale Unterschiede in ihrer Wirkweise (wie auch in Kapitel gezeigt). Auch im Modell der impulsiven und reflektiven Handlungsregulation [44] wird die Beeinflussung reflektiven Verhaltens durch Verhaltensroutinen und Gedächtnisinhalte betont. Informationsvermittlung (wenn-dann-pläne) reguliert die emotionale Reaktivität und reduziert die Angstreaktionen [45], senkt also das Arousal ohne kognitive Ressourcen zu beanspruchen und kognitiven Overload zu forcieren [46]. Der Effekt wird durch bessere Zugänglichkeit situationaler Hinweisreize und engerer Verbindung zwischen Reiz

35 Nutzerbezogene Objektanalyse 34 und Reaktion erklärt [47]. Durch Information können Wissen über Risikofaktoren, Risikoverhalten [48] und Fluchtverhalten [49] beeinflusst werden. Die Genauigkeit der Risikowahrnehmung dagegen wird nicht tangiert [50]. Theoretisch vermitteltes Wissen allein führt nicht automatisch zur praktischen Umsetzung in Sicherheitsverhalten. Es muss eine Integration des Wissens in die praktische Anwendung (bspw. durch Übung) erfolgen [51]. Ein Beispiel für die Umsetzung des Übungsaspekts sind ADAC- Fahrsicherheitstrainings, bei denen dem praktischen Üben des richtigen Verhaltens in Gefahrensituationen eine entscheidende Rolle zukommt. Sicherheitstrainings erhöhen nicht nur die Sensitivität der Risikoeinschätzung, sondern auch die Kontrollerwartung und somit die aktive Problemorientierung [52]. 7.5 Fluchtsimulation Die zuvor erläuterten Modelle wurden im Rahmen von SKRIBT erstmals in eine Fluchtsimulation implementiert. Zur erfolgreichen Flucht müssen simulierte Personen eine Bedrohung wahrnehmen, sie einschätzen und lokalisieren, um die Entscheidung zu treffen, ob sie ihr Fahrzeug verlassen und die Flucht aus dem Gefahrraum einleiten. Bei ihrer Flucht orientieren sich Personen sowohl an der Fluchtwegkennzeichnung im Tunnel, als auch an anderen Personen. Abbildung 35 zeigt die Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Chlorfreisetzung im Tunnel mit konstanter Längsneigung. Ob die Flucht aus dem Gefahrraum erfolgt, ist abhängig von der vorherrschenden Sichtweite, sowie der Konzentration von letalen Stoffen. Personen, die über einen längeren Zeitraum hohen Konzentrationen, bzw. bei sehr hohen Konzentrationen bereits über einen kurzen Zeitraum hinweg Schadstoffen ausgesetzt sind, erreichen den Zustand der Bewusstlosigkeit und können sich nicht selbst aus dem Gefahrraum retten. Abbildung 36 zeigt die Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Propanfreisetzung. Die Kamera zeigt einen Tunnelabschnitt mit bewusstlosen Personen, die keine Möglichkeit mehr zur Selbstrettung aus dem Gefahrraum haben. Abbildung 35: Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Chlorfreisetzung

36 35 Nutzerbezogene Objektanalyse Abbildung 36: Visualisierung der Fluchtsimulation eines Szenarios mit Propanfreisetzung 7.6 Schadensausmaßermittlung bei Überflutungsszenarien Da Szenarien mit Überflutung mit dem CFD-Code OpenFOAM simuliert werden, zu dem es bisher keine Schnittstelle zur Fluchtsimulation in VISSIM gibt, müssen die Schadensausmaße dieser Szenarien auf anderem Wege bestimmt werden. Basierend auf den Simulationsergebnissen aus den numerischen Berechnungen des CFD- Codes OpenFOAM lassen sich bei Annahme einer konstanten Fluchtgeschwindigkeit und den gegebenen Fluchtweglängen Bereiche ableiten, aus denen im Überschwemmungsszenario eine erfolgreiche Selbstrettung, eine bedingte Selbstrettung bzw. keine Selbstrettung möglich ist. Die Fluchtgeschwindigkeit aller Tunnelnutzer wird hierbei nach RiLSA (Richtlinien für Lichtsignalanlagen) 1992 [53] zu 1,3 m/s angenommen. Überschreitet die Wasserhöhe an der Position flüchtender Tunnelnutzer 1 m, gilt die Selbstrettung als gescheitert, da ab dieser Wasserhöhe eine zielgerichtete Fortbewegung nicht mehr möglich ist. Bereiche mit erfolgreicher Selbstrettung ergeben sich aus dem Weg, der durch den Tunnelnutzer zum nächstgelegenen Notausgang bzw. Portal bei unverzüglichem Einleiten der Flucht nach Alarmauslösung zurückgelegt werden kann. Die Bereiche, aus denen sich Tunnelnutzer retten können, wenn sie bereits vor Alarmierung durch die betriebstechnischen Einrichtungen selbstständig mit der Flucht beginnen, werden als Bereiche mit bedingter Selbstrettung bezeichnet. Keine Selbstrettung ist schließlich aus den Bereichen möglich, aus denen bei der zugrunde liegenden Fluchtgeschwindigkeit ein Notausgang bzw. ein Portal nicht mehr erreicht werden kann. Abbildung 37 zeigt exemplarisch die ermittelten Selbstrettungsbereiche für ein Überschwemmungsszenario im Tunnel mit Wannenausrundung. Die Fläche innerhalb der pinkfarbenen Wassergrenzwertkurve markiert hierbei ausgehend vom Ort der Öffnung den Bereich im Tunnel, in dem der Wasserstand zur jeweiligen Sekunde höher ist als 1 m. Die blauen Selbstrettungskurvenvisualisieren den Fluchtweg entlang der Tunnellängsachse. Sie dienen unterstützend zur visuellen Plausibilisierung der ermittelten Selbstrettungsbereiche.

37 Nutzerbezogene Objektanalyse 36 Abbildung 37: Selbstrettungsbereiche Überschwemmung, Tunnel mit Wannenausrundung

38 37 Nutzerbezogene Objektanalyse 8 Bestimmung der szenarioabhängigen Schadensausmaße 8.1 Allgemeines Eine Bestimmung der Eintrittswahrscheinlichkeit kann derzeit nicht für alle Initialereignisse geleistet werden. Während Ereignisse infolge von menschlichem/technischem Versagen, wie z.b. Großunfälle, statistisch untersucht werden können ist die für eine Bestimmung der Eintrittswahrscheinlichkeit infolge von natürlichen Extremereignissen oder kriminellen bzw. terroristischen Ereignissen nicht möglich. Daher wird die Eintrittswahrscheinlichkeiten aller Initialereignisse mit einem Wert von 1,0 angesetzt. Die Verlaufswahrscheinlichkeiten bestimmen dementsprechend die Eintrittswahrscheinlichkeit des jeweiligen Szenarios und erlauben einen relativen Vergleich. 8.2 Szenarien mit Benzinfreisetzung Die Freisetzung von Benzin führt ausgehend von der Freisetzungsart zu verschiedenen Brandsituationen. Bei spontaner Freisetzung beträgt die Menge an freigesetztem Benzin pro Zeiteinheit über 200 l/s, sodass sich eine Lache bildet. Das entstandene Feuer entwickelt innerhalb von einer Minute Brandraten von über 250 MW. Im Fall von Benzinbränden in Tunneln wird das Schadensausmaß überwiegend durch die Einwirkung von Rauch bestimmt. Demgegenüber dominiert im Freifeld die Temperatureinwirkung, da Rauch sich aufgrund des konvektiven Auftriebs vorrangig nach oben ausbreitet Tunnel mit konstanter Längsneigung Die Ausbreitung des Rauches innerhalb des Tunnels erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/s, sodass die Selbstrettung von Tunnelnutzern in Szenarien mit freiem Verkehr unmöglich ist. Das Ausmaß an Personenschäden wird in diesen Szenarien im Fall freien Verkehrs lediglich durch den Zeitpunkt des Verhinderns weiterer Einfahrvorgänge in den Tunnel begrenzt. In Szenarien mit Vollstau verursacht die schnelle Ausbreitung letaler Temperaturen bedingt durch die große Anzahl sich im Tunnel befindlicher Personen trotz Alarmierung der Tunnelnutzer sehr hohe Schadensausmaße. Positive Auswirkungen der Brandventilation auf das Ausmaß konnten innerhalb der untersuchten Szenarien mit Benzinfreisetzung nicht festgestellt werden Tunnel mit Wanne In Szenarien mit freiem Verkehr verhalten sich Selbstrettung und Personenschäden wie beim Tunnel mit konstanter Längsneigung. In Szenarien mit Vollstau verursacht die schnelle Ausbreitung letaler Temperaturen bedingt durch die große Anzahl sich im Tunnel befindlicher Personen hohe Schadensausmaße. Der signifikante Unterschied dieses Wertes zum maximalen Schadensausmaß im Tunnel mit konstanter Längsneigung resultiert daraus, dass im Fall der Wanne der Kamineffekt zu beiden Portalen wirksam ist und daher insbesondere in Szenarien mit freiem Richtungsverkehr ein geringeres Schadensausmaß zu verzeichnen ist Brücke In Szenarien mit Windstille kommt es sowohl bei kontinuierlicher, als auch bei spontaner Freisetzung nicht zu Todesopfern, da die heißen Gase des verbrennenden Benzins Bereiche mit Personen erst nach erfolgreicher Flucht letzterer erreichen. In Szenarien mit Wind erreichen die heißen Gase Bereiche, in denen sich Personen befinden wesentlich schneller und verursachen dadurch Ausmaße von einigen Getöteten. Hierbei handelt es sich um Personen, die sich in unmittelbarer Nähe (benachbarte Fahrzeuge) des Austrittsortes befinden. 8.3 Szenarien mit Propanfreisetzung Propan breitet sich aufgrund seines niedrigen Verdampfungspunktes sehr schnell im Verkehrsraum aus. Das entstandene Feuer entwickelt in allen Szenarien innerhalb von einer Minute Brandraten von etwa MW. Propanbrände sind durch eine ausgeprägte Flammenentwicklung gekennzeichnet. Daher wird das Schadensausmaß insbesondere durch Temperatureinwirkungen bestimmt Tunnel mit konstanter Längsneigung In der ersten Minute nach Freisetzung erfolgt sowohl in Szenarien mit kontinuierlicher, als auch in Szenarien mit spontaner Propanfreisetzung (BLEVE) die Ausbreitung letaler Temperaturen mit Geschwindigkeiten oberhalb der Fluchtgeschwindigkeitswerte. In Szenarien im freien Verkehr resultieren hieraus, analog zu den Simulationsergebnissen von Szenarien mit Benzinfreisetzung, geringe Selbstrettungsmöglichkeiten für Personen in Fahrzeugen, die sich in im Brandnahbereich aufstauen. In Szenarien mit Vollstau werden sehr hohe Schadensausmaße erreicht.

39 Nutzerbezogene Objektanalyse 38 Positive Auswirkungen der Brandventilation auf das Ausmaß konnten innerhalb der untersuchten Szenarien mit Propanfreisetzung im Tunnel mit konstanter Längsneigung nicht festgestellt werden Tunnel mit Wanne Im freien Verkehr werden im Vergleich zum Tunnel mit konstanter Längsneigung geringere Risikowerte erreicht. Dies resultiert vermutlich daraus, dass aufgrund der Wannenausrundung die Ausbreitung des Propangases gleichmäßig zu beiden Portalen hin stattfindet, die Fahrzeuge im freien Verkehr sich jedoch nur von einem Portal bis zur Tunnelmitte aufstauen. Im Vollstau hat dieser Effekt keine Auswirkung. Die Ausmaße und somit die Risikowerte unterscheiden sich daher für Szenarien mit Vollstau kaum von denen des Tunnels mit konstanter Längsneigung. Positive Auswirkungen der Brandventilation auf das Ausmaß konnten innerhalb der untersuchten Szenarien mit Propanfreisetzung auch im Tunnel mit Wanne nicht festgestellt werden. Die vergleichsweise geringen Schadenserwartungswerte resultieren daraus, dass der Brandherd sich in Bauwerksmitte und somit im Tiefpunkt des Tunnels befindet. Im Fall von freiem Richtungsverkehr wird dadurch aufgrund des Anfangsimpulses aus der fahrzeuginduzierten Längsströmungsgeschwindigkeit das freigesetzte Gas teilweise stromabwärts getrieben und führt bei seiner Verbrennung durch den einsetzenden Kamineffekt zu einer einseitigen Flammenausbreitung in Richtung des Ausfahrtportals. Da sich bei freiem Verkehr stromabwärts des Ereignisortes keine Fahrzeuge befinden, wirkt sich dieser Effekt begünstigend auf das zu erwartende Schadensausmaß aus Brücke Ähnlich wie in Szenarien mit Benzinfreisetzung sind bei Ereignissen mit Propanfreisetzung lediglich Personen, die sich in unmittelbarer Nähe zum Freisetzungsort befinden, gefährdet. Ebenfalls ist das Höchstausmaß in Szenarien mit Windstille geringer als in Szenarien mit Wind. Das Höchstausmaß aller betrachteten Szenarien mit Propanfreisetzung liegt sowohl für den Staufall als auch für den freien Verkehr bei einigen Getöteten. 8.4 Szenarien mit TNT-Freisetzung Die direkte Schadwirkung einer TNT-Detonation ist im Gegensatz zum Brand oder der Kontamination von sehr kurzer Dauer. Sie beschränkt sich auf die Dauer des durch die Detonation hervorgerufenen Druckausgleichs. Im Falle einer unangekündigten Detonation im Tunnel haben die untersuchten Sicherheitssysteme keinerlei Einfluss auf die direkte Schadwirkung der Detonation. Das Risiko wird in diesen Szenarien ausschließlich von der verwendeten Menge an TNT, sowie von der Anzahl der Personen, die sich im Wirkungsbereich der Detonation befinden, bestimmt. Einwirkungen von Wärme infolge der bei Detonationen freiwerdenden Energie sind im Vergleich zu den entstehenden Druckwirkungen von nachgeordneter Bedeutung. Die zu verzeichnenden Schadensausmaße werden überwiegend durch die infolge der Detonation entstehende Druckwirkung bestimmt Tunnel mit konstanter Längsneigung Die Detonation einer Kofferladung TNT verursacht im Tunnel ausschließlich in Szenarien mit einem sich in unmittelbarer Nähe der Detonation befindenden Personenbusses Ausmaße von mehreren Getöteten. Die Detonation einer PKW-Ladung TNT verursacht in Szenarien mit Vollstau bereits ohne Beteiligung eines Personenbusses Ausmaße von mehreren Getöteten, während in Szenarien mit freiem Verkehr aufgrund der Abstände der durch den Tunnel fahrenden Fahrzeuge ist das Ausmaß deutlich geringer. Das maximale Ausmaß bei Detonation einer LKW- Ladung TNT ist extrem hoch Tunnel mit Wanne Das Ausmaß im Tunnel mit Wanne ist mit denen des Tunnels mit konstanter Längsneigung identisch Brücke In Szenarien mit freiem Verkehr ohne Beteiligung eines Personenbusses verursacht die Detonation von TNT wegen der Abstände der über die Brücke fahrenden Fahrzeuge geringe Ausmaße. Das maximale Ausmaß in Szenarien mit einer LKW-Ladung TNT und Vollstau ist deutlich höher. 8.5 Szenarien mit Chlor-Freisetzung Chlor hat ein größeres Gewicht als Luft und sammelt sich daher in Bodennähe an. Die Ausbreitung von Chlor wird maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und der Tunnelgradiente beeinflusst Tunnel mit konstanter Längsneigung In Szenarien mit freiem Verkehr erreicht das Ausmaß Werte von mehreren Getöteten, da das Chlor durch die oben genannten Effekte zum großen Teil von den sich aufstauenden Fahrzeugen fortgetrieben wird. In Vollstauszenarien erreichen die Ausmaße trotz

40 39 Nutzerbezogene Objektanalyse Alarmierung der Personen weitaus höhere Werte Tunnel mit Wanne In Szenarien mit freiem Verkehr sind die Ausmaßwerte höher als die Werte des Tunnels mit konstanter Längsneigung. Wesentlicher Grund hierfür ist die gleichmäßigere Ausbreitung des Chlors in sowie entgegen der Fahrtrichtung, die aus der Wannenausrundung im Tunnel resultiert. In Vollstauszenarien wirkt sich die Wannenausrundung ausmaßmindernd aus, da das Chlor sich in der Mitte des Tunnels sammelt Brücke Aufgrund seines im Vergleich zur Luft höheren Gewichts breitet sich das Chlor in Szenarien mit Windstille kreisförmig auf der Fahrbahn aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hat mit 4-6 km/h ähnliche Werte, wie die Fluchtgeschwindigkeit, die im Mittel bei 1,3 m/s liegt, sodass lediglich Personen in unmittelbarer Nähe des Freisetzungsortes gefährdet sind. In Szenarien mit Wind beeinflusst dieser die Ausbreitungsrichtung des Chlors stark. Den ungünstigsten Fall stellen die Szenarien mit Windrichtung in Längsrichtung zur Fahrbahnlängsachse dar, da hier die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Chlors zunimmt. Bei Wind quer zur Fahrbahnlängsachse verringert sich das Ausmaß, da die entstehende Lache früher über die Brückenränder tritt, als bei Windstille. Die unmittelbaren Auswirkungen der Chlorfreisetzung auf sich eventuell unter der Brücke befindlichen Personen werden nicht näher betrachtet, da das Vorhandensein weiterer Verkehrsinfrastrukturen (Straßen, Schienen, Wasserweg) objektspezifisch variiert. 8.6 Szenarien mit Wassereintritt Tunnel mit konstanter Längsneigung Tunnel, die nicht zur Unterquerung von Gewässern dienen, können im Falle einer Überschwemmung von Wassereintritt betroffen sein. Da der Wasserpegel hierbei jedoch sehr langsam ansteigt besteht für Tunnelnutzer keine Gefährdung. Das Ereignis Wassereintritt wird daher für Tunnel mit konstanter Längsneigung nicht betrachtet Tunnel mit Wanne Tunnel, die zur Unterquerung von Gewässern dienen, werden i.d.r. als Wannen ausgeführt. Eine ausreichend starke Detonation kann zu einem örtlichen Versagen der Tunnelkonstruktion führen, sodass Wasser in den Tunnel einströmen kann. Bei der Berechnung des Schadensausmaßes wird somit das höhere Schadensausmaß der beiden Ereignisse maßgebend. Im untersuchten Fall ist dies das Überflutungsszenario. Abbildung 38 zeigt die Visualisierung der Simulation einer Überflutung des Wannentunnels. Der Wasseranteil ist darin rot skaliert. Abbildung 38: Simulation Wasser In Szenarien mit Vollstau ist das höchste Ausmaß sehr hoch Brücke Im Falle eines Hochwassers können Brücken überschwemmt werden. Da der Wasserstand hierbei jedoch sehr langsam steigt, werden Personen durch das ansteigende Wasser nicht gefährdet. Die Untersuchung des Ereignisses Überschwemmung wird für Brücken daher nicht durchgeführt. 8.7 Szenarien mit Windeinfluss Tunnel Die von außen in einen Tunnel einströmende Luft wird durch die Wandreibung stark abgebremst. Starke Windgeschwindigkeiten sind somit für sich im Tunnel befindliche Personen ungefährlich. Daher wird die Untersuchung des Ereignisses Windeinfluss für beide Tunnel nicht durchgeführt Brücke Sturm In Szenarien mit Sturm wird die Luft an einem Rand des Rechengebiets seitlich zur Fahrbahnlängsachse auf 200 km/h (= 55,6 m/s) beschleunigt. Diese Windstärke wird auf der Fujita-Skala als F2 klassifiziert. Für PKW-Insassen besteht hierbei keine Gefahr durch Umkippen des Fahrzeugs, doch es ist schwieriger, die Kontrolle über ein fahrendes Fahrzeug zu behalten und die Unfallgefahr steigt. Leere und leicht beladene LKW können umkippen und stellen damit eine weitere potentielle Gefahr dar. Abbildung 39 zeigt die Visualisierung der Simulation eines Brückenszenarios mit Sturm. Die Werte des Seitenwindes sind farbig skaliert.

41 Nutzerbezogene Objektanalyse 40 Abbildung 39: Simulation Sturm Tornado In Szenarien mit einem Tornado wird dieser mit Windgeschwindigkeiten von 200 km/h modelliert. Diese entsprechen der Klasse F2 auf der Fujita- Skala. Abbildung 40 zeigt die Visualisierung der Simulation eines Brückenszenarios mit einem Tornado. Die Werte des Seitenwindes sind farbig skaliert. Abbildung 40: Simulation Tornado, Abbildung 41 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Tornados mit den zugehörigen Geschwindigkeiten. Abbildung 41: Simulation Tornado, Partikel, Ohne-Fall 8.8 Ergebniszusammenstellung Die ermittelten Werte gelten unter den gewählten bau- und betriebstechnischen Randbedingungen und können nicht als allgemein gültig betrachtet werden. Insbesondere bei Tunneln ist zu beachten, dass die Ermittlung der Schadenserwartungswerte nur für Richtungsverkehr erfolgte und der Ereignisort stets in Tunnelmitte angenommen wurde. Es können jedoch einige tendenzielle Aussagen gemacht werden. Bei Bränden tritt die schädigende Wirkung durch Temperatur, Wärmestrahlung, Schadgas und Ruß ein. Aufgrund der eintretenden Konvektion breitet sich der Plume im Freien überwiegend nach oben gerichtet aus, so dass nur im unmittelbaren Brandherdbereich mit Betroffenen zu rechnen ist. Daher sind bei Brandereignissen auf Brücken, also im Freifeld, prinzipiell signifikant geringere Schadenerwartungswerte als bei denselben Ereignissen in Tunneln zu verzeichnen. Bei der Propanfreisetzung ist im Tunnel mit Wanne im Fall von freiem Verkehr aufgrund der fahrzeuginduzierten Längsströmung mit einer überwiegend in Fahrrichtung einsetzenden Kaminwirkung und dadurch mit weniger Getöteten als im Tunnel mit konstanter Längsneigung zu rechnen. Bei Detonationen geht die schädigende Wirkung vom Druck aus. Bei einer Lkw-Ladung TNT ist auch hier auf Brücken mit deutlich geringeren Schadenserwartungswerte zu rechnen, da im Freien keine Verdämmungen auftreten und der Druck sich so sehr rasch in alle Richtungen abbauen kann. Infolgedessen ist nur eine lokal begrenzte Wirkung zu erwarten. Im Fall von spontaner Chlorfreisetzung sind auf Brücken ähnliche Schadensausmaße wie im Tunnel mit konstanter Längsneigung zu verzeichnen. Eine Begründung hierfür ist, dass sich die Schadgaswolke aufgrund der höheren Dichte von Chlor

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