Holger Maiwald

The floods in 2002 and 2013, as well as the recent flood of 2021, caused billions Euros worth of property damage in Germany. The aim of the project Innovative Vulnerability and Risk Assessment of Urban Areas against Flood Events (INNOVARU) involved the development of a practicable flood damage model that enables realistic damage statements for the residential building stock. In addition to the determination of local flood risks, it also takes into account the vulnerability of individual buildings and allows for the prognosis of structural damage. In this paper, we discuss an improved method for the prognosis of structural damage due to flood impact. Detailed correlations between inundation level and flow velocities depending on the vulnerability of the building types, as well as the number of storeys, are considered. Because reliable damage data from events with high flow velocities were not available, an innovative approach was adopted to cover a wide range of flow velocities. The proposed approach combines comprehensive damage data collected after the 2002 flood in Germany with damage data of the 2011 Tohoku earthquake tsunami in Japan. The application of the developed methods enables a reliable reinterpretation of the structural damage caused by the August flood of 2002 in six study areas in the Free State of Saxony.

Für die Berechnung von Hochwasserschadenspotentialen werden in der Praxis Schadensfunktionen angewendet, die in der Regel nach der Bauwerks- bzw. nach der Flächennutzung differenzieren. Strukturelle Schäden an Gebäuden bleiben in der Regel unberücksichtigt. Es wird in Anlehnung an bestehende Vorgehensweisen aus dem Bereich Erdbebeningenieurwesen ein Modell entwickelt, mit dem strukturelle Schäden durch Hochwassereinwirkungen klassifiziert und prognostiziert werden können. Schadensfälle des Hochwassers 2002 wurden detailliert erfasst. Analog zur EMS-98 (European Macroseismic Scale) werden dokumentierte Hochwasserschäden anhand ihrer Schadensbilder in Schadensgrade überführt und mit den Einwirkungsparametern korreliert. Es werden Verletzbarkeitsfunktionen abgeleitet, mit denen sich die Schadensgrade bestimmen lassen. Bauweisen ähnlicher Verletzbarkeit werden dabei in Verletzbarkeitsklassen zusammengefasst. Es werden neuartige Typen von Schadensfunktionen entwickelt, die den finanziell...

Reliable prognoses of building damage caused by flood impact require realistic relationships between action and damage or loss describing parameters. Due to the fact that commonly applied damage functions are related to the different usage classes (i.e. private housing), the required differentiation according to the parameters on the resistance side is still missing. The large scatter within the data and statistics of observed damage cases have complicated the derivation of reliable loss predictions and cost-benefit analyses. On the basis of the August 2002 Saxony flood data base, a method to determine the structural damage of a single building (micro-scale) or of the affected building stock (meso- and macroscale) for any given flood scenario is developed. Repeatedly observed damage patterns are transformed into a classification scheme of damage grades. With this tool, the structural damage of all damage cases can be analyzed in a systematic way. The paper gives an overview of theba...

Ausgehend von den Erfahrungen im Erdbebenbereich wurde am Zentrum für die Ingenieuranalyse von Erdbebenschäden der Bauhaus-Universität Weimar (EDAC) in verschiedenen Forschungsprojekten ein verletzbarkeitsorientiertes ingenieurmäßiges Schadensmodell für Hochwasserschäden an der Wohnbebauung (bzw. vergleichbarer Konstruktionen) entwickelt. Mit dem entwickelten Schadensmodell wird die Prognose der strukturellen Schädigung des Bauwerks unter Berücksichtigung der konkreten Bauwerksver­letz­barkeit, der Überflutungshöhe und der Fließgeschwindigkeit ermöglicht. Die vorgestellten Schadensfunktionen sind dazu geeignet, belastbare finanzielle Verlustgrößen für Nutzen-Kosten-Analysen bereitzustellen. Wie an verschiedenen Testgebieten mit unterschiedlicher Überflutungscharakteristik nachgewiesen werden kann, gelingt mit den bereitgestellten Verletzbar­keits- und Schadensfunktionen eine Re-Interpretation der Schadensverteilung infolge des Hochwassers vom August 2002. Die Voraussetzungen für ein...

Die Hochwasserereignisse der letzten Jahre haben gezeigt, wie anfällig unsere Gesellschaft gegenüber Naturgefahren ist. Wie lassen sich die entstandenen Schäden erfassen? Gibt es Möglichkeiten, sie in Zukunft zu vermeiden? Die Autor(inn)en des vorliegenden Buches haben Schäden und wichtige Einflussfaktoren von Hochwasser analysiert und daraus bundesweit einsetzbare Modelle für die Abschätzung von Schäden in Privathaushalten, Unternehmen und der Landwirtschaft entwickelt. Sie machen Vorschläge, wie Schäden und die Verletzbarkeit von Bauwerken standardisiert aufgenommen werden können. Aspekte der Schadensminderung fassen sie in einer web-basierten Broschüre zusammen und stellen sie Kommunen als Instrument zur Risikokommunikation zur Verfügung. Das Buch präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Projektes Methoden zur Erfassung direkter und indirekter Hochwasserschäden (MEDIS), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde. Die Autor(inn)en kommen aus den Agrar...

Estimating damage caused by flood impact is an important, yet scientifically and methodically insufficiently investigated task, which is necessary for preparing the management of catastrophes. Alluding to the procedure developed in the risk analysis of earthquakes it is checked, whether methodical fundamentals can be transferred or have to be modified, and which parameters must be derived from data surveys. As an essential improvement, in addition to the inundation level, the influence of the buildings’ parameters is therefore considered in terms of vulnerability affecting factors. A key element of the procedure lies in the preparation of the required data, which are elaborated immediately after the 2002 floods in Saxony. Basics steps of the procedure can be summarized as follows: - For each building the characteristic structural system (here denoted as building type) has to be identified. - The building types have to be sorted into vulnerability classes, whereas most likely, still ...

The planning and implementation of numerous flood protection measures and the associated cost–benefit studies after the 2002 flood in Germany showed the demand for accurate damage functions. Conventional loss models are limited to the relationship between flood height and the recovery costs for a specific usage class (e.g. private residential buildings). Important parameters on the resistance side such as the building materials and further impact parameters such as flow velocity remain unconsidered. Following the procedure developed in the risk analysis of earthquakes, it is checked whether methodical fundamentals can be transferred or are to be adopted in case of flood impact and which parameters must be derived from data surveys. On the basis of a large and uniformly elaborated flood damage database (including different data sets collected by the Earthquake Damage Analysis Center (EDAC) after the 2002 flood in Saxony, Germany), an engineered and vulnerability-oriented prognosis to...

ABSTRACT Die Bodenverflüssigung beschreibt eine Gruppe von Phänomenen, bei denen infolge Baugrundversagens eine globale Gebäudeschädigung insbesondere durch Schiefstellungen und Sackungsprozesse hervorgerufen wird. Sie treten bei starken seismisch bedingten Bodenbewegungen auf, wenn weicher, nicht bindiger Baugrund zyklisch beansprucht wird. Beispiele aus Erdbebengebieten verdeutlichen, dass Verflüssigungseffekte wesentlich zum Schadensbild beitragen, jedoch im Planungsprozess nicht ausreichend berücksichtigt werden. Eine Erklärung mag auch darin liegen, dass die komplexen Vorgänge nur unzureichend modelliert werden können und ingenieurmäßige Ansätze sich vornehmlich auf Erfahrungswerte stützen müssen.Der Beitrag gibt zunächst einen Überblick über die verschiedenen Verflüssigungsphänomene und die empfohlenen Methoden zur Standortuntersuchung bzw. Nachweisführung.Im Mittelpunkt stehen das im Eurocode 8, Teil 5 (DIN EN 1998-5:2010-12) verankerte vereinfachte Nachweisverfahren und die darin verarbeiteten Erfahrungswerte (Beobachtungen). Hintergrundinformationen, die zu den Festlegungen insbesondere in den Anhängen des Eurocodes 8, Teil 5 geführt haben, werden aufbereitet und die Datenbasis in ihrem ursprünglichen Informationsgehalt reproduziert.Der Beitrag gibt einen Überblick über die bis dato publizierten Grenzkurven, mit denen die Verflüssigungsgefährdung als kritisch oder unkritisch bewertet werden kann. An einem einfachen Beispiel wird mit Bezug auf das Roermond-Erdbeben vom 13. April 1992 (als dem stärksten Erdbeben in der Niederrheinischen Bucht seit 60 Jahren) dargestellt, dass die Überprüfung eines konkreten Standorts in Abhängigkeit von den verwendeten Bezugskurven zu unterschiedlichen Interpretationen führen kann und demzufolge ein weiterer Untersuchungsbedarf besteht.Seismic hazard assessment of liquefaction potential following DIN EN 1998-5The subsoil liquefaction stands for a group of phenomena which might cause a global building damage due to the induced drift and settlement processes. In general, these effects occur if a sedimentary soft soil site is shaken by strong cyclic loading. Examples from recent earthquakes demonstrate that liquefaction can contribute to whole damage situation, essentially; it might be concluded that the presence of codes alone is not sufficient to avoid these form of hazard if the planning is not adequately evaluated the critical liquefaction potential of the site.Observed failure cases are indicating that the existing tool and models are not appropriate to derive realistic prognosis for the complex nonlinear response, i. e. engineering approaches have to be based on experience and the observed effects.The paper starts with an overview of the different liquefaction describing hazard or failure types as well as the recommended methods of instrumental site investigation and derived compliance criteria.The studies are concentrated on Eurocode 8, part 5 (DIN EN 1998-5:2010-12) and the implemented simplified decision criteria as well is the adopted original database. The background information is revaluated from the basic studies. Reference curves and magnitude scaling Factors (MSF) from different studies are compared. They enable the decision concerning a critical liquefaction potential.For a simple example site and as a reconstruction of observed failure effects during the April, 13, 1992 Roermond-Earthquake (as the strongest event in the Lower Rhine Embayment over last six decades) it can be shown that the recommended evaluation criteria will lead to different results in dependence on the applied reference curves. With respect to the rather limited database, further studies are required to come-up with realistic site liquefaction evaluation approaches.

ABSTRACT Das Hochwasserereignis 2013 hat erneut schwere Schäden in den vom Hochwasser 2002 betroffenen Gebieten verursacht. Anhand einer Schadensdokumentation, welche sich auf das Einzugsgebiet der Vereinigten Mulde und der Zwickauer Mulde und somit auf die besonders betroffenen Überflutungsgebiete während des Hochwassers in Sachsen konzentriert, werden erste Schlussfolgerungen über die Auswirkungen von zwei Extremhochwassern an einem wiederholt betroffenen Bauwerksbestand gezogen.Die Auswertung der aufgetretenen Schäden erlaubt eine weitere Plausibilisierung des am Zentrum für die Ingenieuranalyse von Erdbebenschäden (EDAC) der Bauhaus-Universität Weimar entwickelten Schadensmodells.In den schon 2002 betroffenen sächsischen Untersuchungsgebieten Döbeln, Eilenburg und Grimma werden die Schäden und die aufgetretenen Wasserstände dokumentiert. Mit neu entwickelten Verletzbarkeits- und Schadensfunktionen werden Prognosen der aufgetretenen Schäden und Verluste möglich, die sich später mit den offiziell gemeldeten Schadenssummen korrelieren lassen.Die Auswirkungen der Wiederherstellungsmaßnahmen nach dem Hochwasser 2002 auf die Verletzbarkeit des Bauwerksbestandes werden dabei herausgestellt und daraus resultierende Veränderungen bei der Prognose der Verluste differenziert berücksichtigt.Damage models for extreme flood events – Part 2: Preliminary conclusions from the event in June 2013The 2013 flood event caused severe damage again in the areas affected by the 2002 flood. Based on a damage documentation along the river basin of Vereinigte Mulde and Zwickauer Mulde, and therefore concentrated on the most affected areas during the flood in Saxony, some preliminary conclusions are drawn about the impact of two extreme floods on a repeated affected building stock.The evaluation of the observed damages allows a further plausibility of the flood damage model which was developed at the Earthquake Damage Analysis Center (EDAC) at the Bauhaus-Universität Weimar.In the study areas Döbeln, Eilenburg and Grimma in Saxony, already affected by the 2002 flood, the observed damages and the flood heights are documented. Newly developed vulnerability and damage functions enable the prediction of the damages and losses, which can be correlated later with the official reported losses.The effects of recovery measures after the 2002 flood on the vulnerability of the building stock are highlighted and the resulting changes are taken into account differentiated by the prediction of the losses.

ABSTRACT Die Quantifizierung der Schadenspotentiale infolge Hochwasser setzt realistische Zusammenhänge zwischen Einwirkungs- und Verlustkenngrößen voraus. Da sich herkömmliche Schadensfunktionen auf den Zusammenhang zwischen Fluthöhe und den versicherungsseitig nachvollziehbaren Kosten für eine bestimmte Nutzungsklasse (wie z. B. Private Wohngebäude) beschränken, fehlt die notwendige Differenzierung nach den für die Widerstandseite relevanten Merkmalen. Aufgrund der enormen Streubreiten der Daten war es bisher nicht möglich, die auch für allgemeine Schadensprognosen bzw. spezifische Kosten-Nutzen-Analysen erforderlichen Beziehungen in einer vertrauenswürdigen Form zu präzisieren. Auf der Grundlage einer einheitlichen Datenerhebung wird ein System entwickelt, mit dem die strukturelle Schädigung eines Bauwerks oder eines betroffenen Bauwerksbestands für konkrete Hochwasserszenarien bestimmt werden kann. Zunächst werden wiederholt beobachtete Schadensbilder in ein Schema von Schadensgraden überführt. Mit diesem Instrumentarium kann der strukturelle Schaden einheitlich ausgewertet und der Zusammenhang zu den Einwirkungskenngrößen hergestellt werden. Die unterschiedliche Empfindlichkeit der Bauweisen wird berücksichtigt, indem Verletzbarkeitsklassen definiert und anhand der Schadensdaten für die im Untersuchungsgebiet vorherrschenden Bauweisen charakteristische Erwartungsbereiche festgelegt werden. Die Bearbeitungsschritte der Methodik werden zunächst schematisch dargestellt und dann für die vorliegende Datenbasis umgesetzt. Im Ergebnis kann ein neuartiger Typ von Verletzbarkeitsfunktionen bereit-gestellt werden, die den Zusammenhang zwischen Fluthöhe und den eingeteilten Schadensgraden Di beschreiben. Wie an zwei Testgebieten nachgewiesen werden kann, gelingt mit diesen Funktionen eine Re-Interpretation der Schadensverteilung infolge des Hochwassers vom August 2002. Durch Korrelation von Verletzbarkeitsklasse und Einwirkungsgröße können auch die gemeldeten Verluste in guter Übereinstimung nachvollzogen werden. Die Voraussetzungen für eine Anwendung der Methodik und bereitgestellten Hilfsmitteln im prognostischen Bereich sind somit gegeben. Prognosis of building damage due to flood impact. Reliable prognoses of building damage caused by flood impact require realistic correlations between action and loss describing parameters. Due to the fact that commonly applied damage relationships between inundation level and loss are related to the costs for the different insurance sectors or usage classes (i.e. private housing), the required differentiation according to the parameters on the resistance side is still missing. The large scatter in the damage data has complicated the derivation of reliable general loss predictions and specific cost-benefit analyses. On the basis of the August 2002 Saxony flood data base, a method to determine the structural damage of a single building or of the affected building stock for any given flood scenario is developed. Repeatedly observed damage patterns are transformed into a classification scheme of damage grades. With this tool, the structural damage of all damage cases can be analysed in a systematic way and related to the parameters describing flood impact. Vulnerability classes for the different building types are defined by using the data for determining characteristic ranges of damage expectation. Basic steps of the procedure are illustrated for a fictive data-set, and subsequently applied to the existing database. As one of the main results, a new type of vulnerability function is proposed, describing the empirically-based relationship between inundation height and the introduced damage grades Di. With these vulnerability functions the damage distribution caused by the August 2002 flood can be reinterpreted for test areas with close agreement to the observed effects. A similar good prognosis could be achieved for the reported loss in monetary terms by correlating vulnerability class and impact parameter (inundation level) in specific loss functions. Thus, the prerequisites for the practical application of the procedure and presented tools are given.

... auch [22] Schwarz et al.). 4 Strukturelle Schäden und Bauwerksverletzbarkeit 4.1 Schadensgrade Die Auswirkungen hoher Fließgeschwindigkeiten sind vor-rangig in der Ausbildung starker struktureller Schäden zu sehen, welche den Verlust signifikant erhöhen. ...

In recent years, floods in Germany have caused billions of Euros in property damage. As part of the project 'Innovative Vulnerability and Risk Assessment of Urban Areas Against Flood Events' (INNOVARU), a realistic, practical model for the monetary assessment of potential flood damage to residential building stock was developed, which also allows the prognosis of structural damage. The structural damage can be predicted in the form of mean damage grades using vulnerability functions, which take into account the vulnerability of the different building types depending on the inundation level and flow velocity. So far, the scatter in the damage has not been taken into account. The paper presents 'fragility functions' which enable the quantification of the exceedance probability of certain damage grades depending on inundation level and flow velocity. These functions allow the identification and implementation of the scatter of structural damage. They also enable a simulative damage prognosis using the Monte Carlo method, which provides the basis for loss calculations and serve to quantify the scatter within the financial loss indicators. This can introduce a new level of cost-benefit analyses for the planning of new flood protection measures. For lower flow velocities, typical for river floods, the study is based on a comprehensive qualified damage dataset compiled after the 2002 flood in Germany. The lack of reliable damage data caused by high flow velocities during flash flood events is compensated by an innovative approach. For this purpose, damage data from the tsunami of the Tohoku earthquake in Japan in 2011 are re-evaluated and included in the analysis. The developed 'fragility functions' are applied to the re-interpretation of the August 2002 flood damage and loss in six different study areas in the Free State of Saxony. An outlook to the application for flash flood events is given.