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Sturmschadenrisiko

Das Sturmschadensrisiko gibt die Schäden an Wohngebäuden an, mit denen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu rechnen ist. Die Quantifizierung dieses Risikos wird unter Berücksichtigung der Windklimatologie, der Schadensanfälligkeit und der Gebäudewerte durchgeführt. Sie dient als Grundlage für eine Risikobewertung.

 

Projektbeschreibung

Einleitung

Winterstürme, Gewitterstürme oder Tornados fordern in Deutschland häufig Tote und Verletzte und verursachen an Gebäuden, Wäldern und Infrastruktur Schäden in Millionenhöhe. Dabei sind Winterstürme durch ihre große Ausdehnung und hohen Windgeschwindigkeiten besonders schadensintensiv, während Gewitterstürme und Tornados nur sehr lokal, aber mit ebenfalls sehr hohen Geschwindigkeiten auftreten. Häufig ziehen Winterstürme über mehrere Staaten hinweg, wobei durch die Nähe zum Atlantik besonders der Nord-Westen und die Mitte Europas betroffen sind.

Winterstürme entstehen meist aus Tiefdruckgebieten über dem Atlantik und entwickeln sich durch die im Winter besonders hohe Temperaturdifferenz zwischen Nordhalbkugel und tropischer Äquatorialzone zu gefährlichen Sturmtiefs. Dabei lässt sich die Entwicklung solcher Systeme nur schwer voraussagen und oft beträgt die Vorwarnzeit nur einige Stunden bis wenige Tage. Im Gegensatz dazu lassen sich die Zugbahnen tropischer Wirbelstürme (Taifune, Hurrikane) durch ihre langsame Zuggeschwindigkeit relativ gut mehrere Tage vorausberechnen.

Als herausragende Sturmereignisse in Deutschland sind die Stürme Capella (1976, 11 Tote, >250 Mio. Euro Gesamtschaden), die Sturmserie Vivian, Wiebke, usw. (1990, >50 Tote, >2000 Mio. Euro) und Lothar (1999, 18 Tote, 2000 Mio. Euro) zu nennen. Hierbei traten teilweise selbst im Flachland Windgeschwindigkeiten von über 150km/h auf, auf Bergkuppen wurden Geschwindigkeiten von 220-270 km/h gemessen.

Materielle Schäden durch Stürme lassen sich in direkte Schäden (Gebäude, Infrastruktur, Wälder, Automobile, usw.) und indirekte Schäden (Aufräumarbeiten, Produktionsausfälle, Folgekosten, usw.) unterteilen. Nicht alle Schäden sind versichert, so dass der Gesamtschaden oft mehr als doppelt so hoch ist als der versicherte Schaden. Der durchschnittliche Schaden für einzelne Gebäude bei Sturmereignissen beträgt erfahrungsgemäß „nur“ etwas mehr als 1300 Euro. Dabei treten durch Windeinfluss vor allem Schäden an der Außenhülle von Gebäuden auf; Dachziegel, bzw. Dachstühle, Fassaden, Fenster, Rollläden und Außenanlagen (Sat-Schüsseln, Antennen) sind am meisten gefährdet. Da in Deutschland normalerweise die Gebäudestruktur aus Mauerwerk oder Beton besteht (Holzbauweise wie beispielsweise in den USA ist kaum verbreitet), sind strukturelle Schäden oder der Zusammenbruch ganzer Gebäude äußerst selten. Neben der auftretenden Windgeschwindigkeit spielt die Qualität und Wartung der Gebäudeteile eine große Rolle, während ältere Dächer oft bereits abgedeckt sind, werden neue mit Sturmklammern befestigte Dächer meist kaum beschädigt.



Methodik

Um die Höhe und Anzahl der Sturmschäden zu berechnen, mit denen maximal bzw. pro Jahr gerechnet werden muss, wird eine Risikoabschätzung vorgenommen. Das Schadensrisiko bezeichnet eine Schadenshöhe in Euro, welche mit einer bestimmten jährlichen Wahrscheinlichkeit auftritt. Das Risiko setzt sich somit aus folgenden Faktoren zusammen:

Risiko = Sturmgefährdung * Schadensanfälligkeit * Wert

Die Sturmgefährdung gibt die Auftretenswahrscheinlichkeit bestimmter maximaler Windgeschwindigkeiten in hoher räumlicher Auflösung (1km x 1km) an. Anhand von Daten des Deutschen Wetterdienstes werden zunächst die stärksten Ereignisse im Zeitraum 1971-2000 erfasst. Zu jedem Ereignis wird dann das bodennahe Windfeld rekonstruiert. Dies geschieht mit dem dreidimensionalen atmosphärischen Strömungsmodell KAMM (Karlsruher Atmosphärisches Mesoskaliges Modell). Angetrieben wird das Modell mit ERA40 Reanalysedaten des ECMWF (European Center for Medium range Weather Forecasting). An die so gewonnenen mittleren Windgeschwindigkeiten werden dann landnutzungsabhängige Böenfaktoren angepasst. Anschließend werden an jedem Gitterpunkt des Untersuchungsgebietes die Parameter der Extremwertverteilungsfunktion Gumbel für die dort simulierten Geschwindigkeiten berechnet.

 

Die Schadensanfälligkeit von Gebäuden wird durch Schadensfunktionen beschrieben, mit Hilfe derer sich Sturmschaden in Abhängigkeit der aufgetretenen Windgeschwindigkeiten berechnen lässt. Hier zu wird ein Modell verwendet, welches mit Daten von vergangenen Sturmereignissen kalibriert wurde.

Die Gebäudewerte werden von der CEDIM Gruppe Werteermittlung link_to_AEG berechnet und stellen die Wiederherstellungskosten bezogen auf das Jahr 2000 dar.

Aus den Risikokurven lassen sich durch Integration direkt die durchschnittlichen jährlichen Schäden berechnen, die durch Winterstürme an Wohngebäuden entstehen.

 

Ergebnisse

 

 

Dargestellt sind sowohl das Windfeld als auch das Bodendruckfeld von Orkan Lore vom 28.01.1994. Die Werte entstammen dem ERA40-Reanalysedatensatz des ECMWF.

  Das entsprechende mit KAMM simulierte Windfeld (ein kleiner Ausschnitt des Südwestdeutschen Teilgebietes) für Orkan Lore. Dargestellt sind die während des Orkans aufgetretenen mittleren Windgeschwindigkeiten.

  Dargestellt ist die Starkwindgefährdung durch Winterstürme mit der einmal in 50 Jahren am jeweiligen Gitterpunkt (Auflösung: 1km x 1km) gerechnet werden muss.

  Schadenskurven Beziehung zwischen Schaden und aufgetretenen Windgeschwindigkeiten (hier in einer Darstellung bezogen auf das lokale Windklima Vp=0.02).


Vergleich zwischen berechneter und beobachteter Schadensverteilung von Orkan „Lothar“ im Dezember 1999. Die Balken geben die Schadenshöhe in Euro an; farblich unterlegt sind die maximalen Böengeschwindigkeiten, welche mit dem Modell KAMM berechnet wurden.

 


 
Risikokarte Gebäudeschäden in Baden-Württemberg. Dargestellt sind die Schadenshöhen (in Mio. €) pro Gemeinde für eine Windgeschwindigkeit, welche mit 2% Wahrscheinlichkeit innerhalb eines Jahres eintritt. Zum Vergleich: Bei Orkan „Lothar“ traten Windgeschwindigkeiten mit Eintrittswahrscheinlichkeiten von 0,5 – 5% auf.

 

Ansprechpartner
Name Titel Tel. E-Mail
Dr.-Ing.    
Dipl. -Met.    
Prof. Dr. +49 721 608-46370 christoph kottmeierXfw7∂kit edu
Prof. Dr. +49 721 608-22845 michael kunzCbb3∂kit edu
Prof. Dr. +49 721 608-43897 bodo ruckDqx0∂kit edu

Publikationen


Heneka, P., Ruck, B.   A damage model for the assessment of storm damage to buildings   Eng. Struct., doi:10.1016/j.engstruct.2008.06.005 (2008)   » Link

Heneka, P., Ruck, B.   Vulnerability of buildings to storm damage in Germany   Proceedings of ICWE 12, Cairns, Australien, 2007    

P. Heneka, T. Hofherr, B. Ruck, C. Kottmeier   Storm damage risk assessment in Germany   3rd Indo-German Workshop and Theme Meeting on “Seismic Safety of Structures, Risk Assessment and Disaster Mitigation”, Mumbai, March 12-14, 2007    

P. Heneka, T. Hofherr, B. Ruck, C. Kottmeier   Winter storm risk of residential structures – model development and application to the German state of Baden-Württemberg   Natural Hazards and Earth System Sciences (2006) 6: 721 – 733   » Link

Heneka, P., Hofherr, T., Ruck, B. and Kottmeier, C.   Damage risk of winter storms in Germany   Proceedings of ICDR Davos, 2006    

Tyagunov, S., Heneka, P., Stempniewski, L., Zschau, J., Ruck, B., Kottmeier, C.   CEDIM: From Multi-Hazards to Multi-Risks   AMONIA Proceedings, Barcelona, Dezember 2005    

Heneka, P. und Ruck, B.   Development of a storm damage risk map of Germany - A review of storm damage functions   Proceedings of the International Conference for Disasters and Society, Karlsruhe, 2004    

Links

Laboratorium für Gebäude- und Umweltaerodynamik
http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/science/aerodyn/

Institut für Meteorologie und Klimaforschung
http://www.imk.uni-karlsruhe.de/