Beurteilung der Sicherheit von Infrastrukturobjekten mittels einer Flucht- und Evakuierungssimulation

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1 Beurteilung der Sicherheit von Infrastrukturobjekten mittels einer Flucht- und Evakuierungssimulation Shaping Transportation 2014 Berlin, Mai

2 Motivation Hohe Verkehrsdichte in Deutschland Bestand von Tunneln Brücken Tunnel und Brücken sind wichtige Komponenten der Verkehrsinfrastruktur, gleichzeitig aber auch besonders störanfällig.

3 Motivation Verkehrsunfall auf Wiehltalbrücke August 2004 Terroranschlag auf Bahnverkehr in Madrid März 2004 Erdbeben in Chile Februar 2010

4 Motivation Ganzheitlicher Ansatz Terrorismus / Kriminalität Extreme Naturereignisse Folgenschwere Großunfälle

5 Motivation Nutzer Ereignis Bauwerk Verkehr Wirtschaftliche und volkswirtschaftliche Folgekosten Negative Umweltauswirkungen

6 Projekt Schutz kritischer Brücken und Tunnel (SKRIBT Plus ) Förderung durch: Laufzeit 3 Jahre: 01/ /2014 Forschungsprogramm der Bundesregierung für die zivile Sicherheit: Schutz von Verkehrsinfrastrukturen als Teil der szenarienorientierten Sicherheitsforschung Projektträger Verbundprojekt: interdisziplinäre Bearbeitung durch mehrere Projektpartner

7 Projekt Vorgänger-Projekt SKRIBT Projektdauer

8 Projekt Verbundpartner Forschungseinrichtungen Privatwirtschaft Konsortialführer Bundesverwaltung

9 Inhalte Die zentralen Inhalte von SKRIBT Plus lauten: Sicherheit und Schutz der Nutzer Schutz der Bauwerke Hohe Verfügbarkeit der Bauwerke: Individuelle Mobilität Versorgung von Privathaushalten und Wirtschaft Umsetzung durch: Innovative Schutztechnologien Zielgruppenspezifische Anwendungshilfen

10 Themenbeispiele Brand in Tunneln, Kombinierte Extremeinwirkungen auf Bauwerke

11 Themenbeispiele Krisenmanagement bei Großschadensereignissen

12 Themenbeispiele Untersuchungen zum Nutzerverhalten

13 Methodik zur Beurteilung der Sicherheit Quantitative Risikoanalyse Risiko = Eintrittshäufigkeit x Größe der Auswirkungen gering Risiko groß Sicherheit Gefahr

14 Grundlagen Risikoanalyse Häufigkeitsermittlung Funktioniert das Sicherheitssystem A? Funktioniert das Sicherheitssystem B? P B Endzustand 1 H e1 Versagen Erfolg P A Auslösendes Ereignis (Initialereignis) H 0 Versagen Erfolg 1-P B Endzustand 2 H e2 1-P A Endzustand 3 H e3 H ei H 0 VerzweigungswahrscheinlichkeitP imzweig i i

15 Grundlagen Risikoanalyse Risikoermittlung Risiko R 0 Bewertetes Risiko R AV R R m H ei A ei i 1 m H ei Aei IAV i1 f-n Diagramm 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 Summenhäufigkeit [1/a] 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-07 1,0E-08 1,0E-09 1,0E-10 1,0E-11 1,0E Ausmaß [Todesopfer]

16 Beispiel Rauchausbreitung in einem Tunnel

17 Schadensausmaßermittlung Einflüsse auf Fluchtverhalten Sicherheitseinrichtungen (Fluchtwege, Wegweiser, Notausgänge etc.) Beleuchtung Objekte (Fahrzeuge, Bauwerk, Einbauten) Personen Ausbreitung (Rauch, Temperatur, Druck) Lüftung, Löschsysteme

18 Schadensausmaßermittlung VISSIM Flucht- und Evakuierungssimulation Einwirkungen (Impacts) CFD-Modell Druck Temperatur Konzentrationen Auswirkungen (Effects) Bewegungsmodell Wahrnehmungsmodell Verhaltensmodell Wirkungsmodell Flucht- und Evakuierungssimulation

19 Bewegungsmodell (VISSIM Fußgängermodell) Social Force Modell nach Helbing dv t dt mit: 0 f f f b f 0 f Antriebskraft f b i f i Abstoßende Kraft zwischen Fußgängern f att Abstoßende Kraft zu räumlichen Begrenzungen Kräfte zwischen Fußgängern Kräfte von räumlichen Begrenzungen Antriebskraft f i att f Anziehende Kraft zur Berücksichtigung von attraktiven Effekten Anziehende Kraft zur Berücksichtigung von Gruppenverhalten Fluktuationsterm zur Berücksichtigung von individuellem Verhalten Erweiterung um Faktoren zur Berücksichtigung von: - Wahrnehmung - Verhalten - Einwirkungen

20 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Prozessablauf zur Verhaltensänderung Stimulus Sehen, Wahrnehmen, Erkennen, der Situation / Umwelt Persönliche Ziele / Interessen (interne Faktoren) Informationsverarbeitung Begreifen Psychische / Mentale Prozesse Psychische Spannung Entscheidung Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung

21 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sehen, Wahrnehmen, Erkennen Stimulus Sehen, Wahrnehmen, Erkennen, der Situation / Umwelt Persönliche Ziele / Interessen (interne Faktoren) Informationsverarbeitung Begreifen Psychische / Mentale Prozesse Psychische Spannung Entscheidung Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung

22 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sichtbarkeitsprüfung Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 4 Person Sichtbare Bereich sichtbar nicht sichtbar

23 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sichtbarkeitsprüfung Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 4 Person Sichtbare Bereich Nicht sichtbarer Bereich sichtbar nicht sichtbar

24 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sichtbarkeitsprüfung Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 4 Person Sichtbare Bereich Nicht sichtbarer Bereich sichtbar nicht sichtbar

25 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sichtbarkeitsprüfung Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 4 Person Sichtbare Bereich Nicht sichtbarer Bereich sichtbar nicht sichtbar

26 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Sichtbarkeitsprüfung Bereich außerhalb der Sichtweite Objekt 4 Kollision Person Sichtbare Bereich Nicht sichtbarer Bereich sichtbar nicht sichtbar

27 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Wahrnehmen und Erkennen Abbildung durch Zeitspanne vom ersten Sehen bis zum Erkennen Menge der erkannten Objekte Objekt wird hinzugefügt, wenn für t > Dt e sichtbar Objekt wird entfernt, wenn für t > Dt ne nicht sichtbar Berücksichtigung des Blickwinkels

28 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Prozessablauf zur Verhaltensänderung Stimulus Wahrnehmen, Erkennen, Sehen der Situation / Umwelt Persönliche Ziele / Interessen (interne & externe Faktoren) Informationsverarbeitung Begreifen Psychische / Mentale Prozesse Psychische Spannung Entscheidung Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung

29 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Verhalten beeinflussende Parameter Interne Faktoren Externe Faktoren Ängstlichkeit Gefahrenintensität Selbstwirksamkeit Sozialer Einfluss Selbstregulation Wissen, Erfahrung

30 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Prozessablauf zur Verhaltensänderung Stimulus Wahrnehmen, Erkennen, Sehen der Situation / Umwelt Persönliche Ziele / Interessen (interne Faktoren) Informationsverarbeitung Begreifen Psychische / Mentale Prozesse Psychische Spannung Entscheidung Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung

31 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Informationsverarbeitung: Begreifen Begreifen der Informationen von Objekten: Tunnelportale, Fluchtwegkennzeichnung und Notausgänge, wenn erkannt Begreifen der Gefahr der Situation, Rauch Feuer etc.

32 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Prozessablauf zur Verhaltensänderung Stimulus Wahrnehmen, Erkennen, Sehen der Situation / Umwelt Persönliche Ziele / Interessen (interne Faktoren) Informationsverarbeitung Begreifen Psychische / Mentale Prozesse Psychische Spannung Entscheidung Reaktion Physische Realisierung: Verhaltensänderung, Handlung

33 Wahrnehmungs- und Verhaltensmodell Psychische Spannung und Entscheidung Psychische Spannung Arousal - Reaktionspotenzial R(pot) = r(int) * r(ext) Impulsiver Weg Passives Verhalten Reflektiver Weg Impulsive Flucht Handlungsausrichtung Orientierung und Koordinierte Flucht zum Nächsten Notausgang passiv größer Schwellwert Schwellwert kleiner

34 Temperatur [ C] Wirkungsmodell Sichtweite & Fluchtgeschwindigkeit Lethalitäten in Abhängigkeit der Einwirkgröße und Expositionsdauer Temperatureinwirkung Konzentrationen Druckeinwirkung Purser Trockene Luft Feuchte Luft CO [ppm] HCN [ppm] CO HCN Überdruck [kpa] Personenschäden infolge Überdruck Expositionsdauer [min] Zeit [min] Mayer 2005 Untere Grenze Trommelfellriss Untere Grenze Lungenschäden 50%Trommelfellriss 1% Letalität 10% Letalität 50% Letalität 90% Letalität 99% Letalität

35 VISSIM Flucht- und Evakuierungssimulation Beispiel

36 Sicherheitsbeurteilung Einfluss des Notausgangsabstands auf Sicherheit in Tunneln Benzin kontinuierliche Freisetzung Detektionszeit 60s Notausgangsabstand 60m 1,E+00 1,E-01 1,E-02 1,E-03 1,E-04 Eintrittswahrscheinlichkeit [-] 1,E-05 1,E-06 1,E-07 1,E-08 1,E-09 1,E-10 Konst. Längsneigung Benzin kontinuierlich 60s 60m Benzin kontinuierlich 60s 300m R 0 = 18,74 R AV = 131,75 R 0 = 0,72 R AV = 1,97 1,E-11 1,E Ausmaß [Getötete]

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

38 VISSIM Flucht- und Evakuierungssimulation Einfluss von Wissen und Routine auf Fluchtverhalten Mehr Gerettete bei hohem Wissen und Verhaltensroutine!

39 Grundlagen Risikoanalyse Ablauf Definition von zu betrachtenden Initialereignissen Statistik, Fehlerbaumanalyse Ermittlung der Eintrittshäufigkeit für ein Initialereignis Entwicklung eines Ereignisablaufes (Ereignisbaum) Statistik, Fehlerbaumanalyse Ermittlung von Verzweigungswahrscheinlichkeiten im Ereignisablauf Bestimmung der Eintrittshäufigkeit für die Endzustände im Ereignisablauf Modelle zur Berechnung von Ein- und Auswirkungen Berechnung von Schadensausmaßen Ermittlung der Risiken Risiko = Eintrittshäufigkeit * Auswirkungen