THEMA Sicherheit im Stadtraum 37 4 · 2017 TR ANSFORMING CITIES Gedanken zum Schutzbedürfnis im Stadtraum Die Innenstadt ist das Aushängeschild eines jeden urbanen Raumes. Als historische Mitte bildet sie einen Ort, der die Vielfältigkeit des öffentlichen Lebens beheimatet. Sie ist Standort und Schauplatz des Wohnens und Arbeitens, des öffentlichen und privaten Lebens sowie wichtiger Kultur-, Wirtschafts- und Tourismusraum. Aktuelle Debatten über die innerstädtische Sicherheit zeigen, wie wichtig der Schutz der sensiblen Einzigartigkeit dieses urbanen Raumes ist. Terroristische Anschläge wie in Paris (2015), Nizza und Berlin (2016), sowie Manchester und Madrid (2017) trafen direkt in das Herz der Großstädte. Auch wenn für die jüngsten Anschläge vermehrt schwere Fahrzeuge als „Waffe“ eingesetzt wurden, bleibt das Gefahrenpotential durch Sprengstoffanschläge unvermindert hoch. Die Anschläge von Ansbach 2016 und die des Nationalsozialistischen Untergrundes um die Jahrtausendwende zeigen, dass diese Gefahr auch in Deutschland besteht. Das Phänomen Terrorismus ist vielfältig und von diversen Faktoren abhängig. Die handelnden Akteure erweisen sich hinsichtlich der eingesetzten Mittel und Strategien als überaus wandlungsfähig. Das Verhalten von Einzeltätern oder gewaltbereiten Gruppen lässt daher keine exakten Prognosen zur Eintrittswahrscheinlichkeit oder konkreten Form von Anschlägen zu. Deshalb wird zur Beurteilung der Vulnerabilität eines öffentlichen Ortes in der Regel zunächst eine allgemeine Bedrohungsanalyse durchgeführt, um sogenannte Worst-Case-Szenarien zu identifizieren. Zeitpunkt, genaue Position und Art des Angriffes bleiben dennoch unabwägbar, womit ein gewisses Restrisiko bleibt. Die Möglichkeit und das Ausmaß terroristischer Anschläge hängen eng mit der Verfügbarkeit von Technik und Wissen sowie der gesellschaftlichen Verwundbarkeit zusammen. Der Schutz von Menschen und Sachgütern vor dem Eintritt und den Folgen solcher außergewöhnlichen Ereignisse ist die Kernaufgabe des Bevölkerungsschutzes. Ziel ist es, die materiellen und immateriellen Auswirkungen zu mindern, indem lebens- oder verteidigungswichtige Orte und Gebäude durch entsprechende Maßnahmen geschützt werden. Hierunter fallen unter anderem öffentliche Plätze, Einkaufszentren, Gebäude mit hohem Symbolwert oder Sitze internationaler Konzerne und Organisationen. Von den möglichen Anschlagsszenarien sind Sprengstoffanschläge aufgrund der zu erwartenden multiplen Bedrohung besonders zu beachten. Zum einen entsteht durch eine Explosion eine Schockwelle, deren extreme Druckwirkung Personen verletzen oder töten und Gebäude beschädigen kann. Zum anderen kann der durch die Explosion erzeugte Splitter- und Trümmerflug (Fragmente), auch Innovativer Explosionsschutz im urbanen Raum Die Leistungsfähigkeit von Schutzbepflanzung und ansprechenden Schutzelementen gegen Explosion Terrorismus, hybride Bedrohungen, Explosionsschutz, Schutzbepflanzung, Innovative Schutzelemente Paul Warnstedt, Matthias Andrae, Lars Rüdiger, Weifang Xiao, Norbert Gebbeken Die Sicherheit im Stadtraum steht bei der Gestaltung öffentlicher Plätze und dem Schutz kritischer Infrastrukturen im Kontext terroristischer und hybrider Bedrohungen regelmäßig im Fokus. Neben üblichen baulichen Maßnahmen kann die Erhöhung der Sicherheit öffentlicher Plätze auch durch optisch ansprechende Schutzelemente erreicht werden. Geeignete Pflanzen oder innovative Materialien entfalten ihre Schutzfunktion unauffällig und dienen gleichzeitig als Gestaltungselemente, was die gefühlte Sicherheit steigert. Solche intelligenten Lösungen wurden erfolgreich getestet und stehen zur Verfügung. 38 4 · 2017 TR ANSFORMING CITIES THEMA Sicherheit im Stadtraum über große Distanzen, zu lebensbedrohlichen Verletzungen oder erheblichen Schäden an baulichen Strukturen führen. Zudem besteht die Gefahr des progressiven Kollapses von Gebäuden oder großer Teile davon, wenn tragende Elemente infolge der Explosionswirkung versagen und darüber liegende Gebäudeteile schlagartig herabstürzen. Das effektivste Mittel zum Schutz vor den Einwirkungen durch Explosionen ist ausreichender Abstand zum Explosionsursprung. In urbanen Gebieten ist der hierzu erforderliche Raum jedoch durch die dichte Bebauung meist begrenzt. Als weitere Mittel können Verstärkungsmaßnahmen an der Fassade oder der Tragstruktur von Gebäuden genutzt werden. Auch hier können Probleme auftreten, wenn zum Beispiel die bestehende Bausubstanz nicht die nötigen Anforderungen für nachträgliche Ertüchtigungsmaßnahmen erfüllt, Denkmalschutzauflagen zu beachten sind oder bei Neubauten architektonische Anforderungen die notwendigen Schutzmaßnahmen einschränken. In diesen Fällen kann der Widerstand des Bauwerks nicht erhöht werden, folglich muss die einwirkende Belastung verringert werden. Hierzu gibt es sogenannte vorgesetzte Schutzmaßnahmen, die als eigenständige Elemente den Druck der Schockwelle und den ggf. auftretenden Splitter- und Trümmerflug reduzieren. Im militärischen Bereich, werden hierzu unter anderem Schutzwände aus massivem Stahlbeton eingesetzt, um die Schockwelle umzulenken oder zu reflektieren. Für den urbanen Raum ist dieser Ansatz jedoch keine Ideallösung, da städtische Bereiche aufgrund des eingangs beschriebenen Stellenwertes für die Gesellschaft einen hohen Anspruch auf Ästhetik und Gestaltung erheben. Deshalb wird im Rahmen von Forschungsvorhaben an der Universität der Bundeswehr München, die vielfach in Zusammenarbeit mit der Wehrtechnischen Dienststelle 52 (WTD 52) und dem Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) durchgeführt werden, seit mehreren Jahren die Idee innovativer Schutzelemente verfolgt. Es konnte gezeigt werden, dass flexible und leichte Elemente ebenfalls eine sehr gute Schutzwirkung entfalten können [1, 2, 3]. Mit numerischen Simulationen und physischen Versuchen konnten neue Erkenntnisse über das Tragverhalten und die Versagensmechanismen solcher Schutzelemente gewonnen werden. Damit wird der Einsatz zeitgemäßer, moderner Werkstoffe für deren Konstruktion ermöglicht. Mithilfe dieser Erkenntnisse können bei der Planung von Schutzkonzepten fundierte Lösungen entwickelt werden, die das urbane Leben nicht wesentlich beeinträchtigen. Verbesserung der Sicherheit durch innovative Schutzelemente Innovative Schutzelemente sind zum Beispiel explosionshemmende Barrieren, die neben der Erfüllung der reinen Schutzfunktion auch gestalterischen Ansprüchen der Architektur und Städteplanung gerecht werden. Derartige Barrieren erscheinen dem Betrachter vorrangig als Gestaltungselemente. Ihre Schutzwirkung kommt nur im Falle eines tatsächlichen Anschlags zum Tragen, womit eine Symbiose aus Schutz und Gestaltung erreicht wird. Diese Elemente gehören damit zur Kategorie der sogenannten Hide-Force-Protection (HFP), die im Gegensatz zur Show-Force-Protection (SFP) langfristig und unbemerkt wirken soll. Maßnahmen der SFP sind in der Regel aufwendig und deutlich als solche erkennbar, womit sie eher für temporär oder dauerhaft sehr hohe Bedrohungssituationen (etwa dem Schutz nuklearer Anlagen) infrage kommen. Im Unterschied zu Fassaden müssen vorgesetzte Barrieren keine dichtschließende Hülle gegen den Druck der Schockwelle, Splitter oder Trümmer bilden. Sie können flexibel und teilweise offen gestaltet sein, womit sie im Falle einer Explosion von der Schockwelle durchströmt werden. Die Energie der Schockwelle wird durch die Barriere abgeschwächt, indem sie teilweise reflektiert und zum Teil in Verformungen der Barriere umgewandelt wird. Zudem können derartige Barrieren so gestaltet sein, dass bei entsprechend hohen Belastungen vordefinierte Sollbruchstellen versagen. Damit können Schäden der Struktur gezielt lokal begrenzt werden. Beschädigte Teile müssen anschließend eventuell ausgetauscht werden, was bei herkömmlichen Schutzelementen wie explosionshemmenden Fenster- oder Türsystemen gleichermaßen erforderlich ist. Mit der Abschwächung der Intensität der Schockwelle durch eine Barriere wird die Belastung auf dahinter befindliche Personen und Gebäude reduziert, etwa auf die meist am stärksten beanspruchten unteren Stockwerke. Durch vorgesetzte Barrieren wird zum einen der Aufwand für nachträgliche Verstärkungsmaßnahmen an der bestehenden Bausubstanz verringert oder gar vermieden. Zum anderen sind bei der Neugestaltung von Gebäuden filigranere und somit architektonisch ansprechendere Tragwerke möglich. Auf öffentlichen Plätzen können derartige Barrieren so platziert werden, dass die verheerende Wirkung einer möglichen Explosion lokal eingedämmt wird und Bereiche mit geringerer Druckbelastung geschaffen werden. Darüber hinaus sind sie geeignet, den Abstand zwischen einer Explosion und dem zu schützenden Bereich zu vergrößern oder THEMA Sicherheit im Stadtraum 39 4 · 2017 TR ANSFORMING CITIES die Explosivstoffmenge zu begrenzen, die bis an das Gebäude oder auf einen öffentlichen Platz transportiert werden kann, indem zum Beispiel die Zufahrt unterbunden wird. Grundsätzlich sind eine Vielzahl von städteplanerischen Elementen für den Einsatz als explosionshemmende Barrieren denkbar (Sitzbänke, Kioske, Poller, Schüttkörbe, Pflanzkübel, etc.). Mitunter genügt bereits deren geschickte Anordnung vor einem zu schützenden Bereich, um die Belastungen infolge einer Explosion deutlich zu verringern. An dieser Stelle soll der Einsatz von Pflanzen und von metallischen Ringgeflechten in Kombination mit Wasser genauer dargestellt werden. Anwendungsbeispiel 1: Pflanzen Die Möglichkeit der Nutzung von Pflanzen als explosionshemmende Elemente wurde grundlegend bereits in [2] und [4] diskutiert. Pflanzen stellen eine Besonderheit im Vergleich zu baulichen Strukturen dar, da ihre äußere Form und innere Struktur nicht gezielt konstruiert, sondern nur durch Pflege und Zuschnitt beeinflusst werden kann. Aufgrund der natürlichen Schwankungen (zum Beispiel der Wuchsdichte) kann ihre explosionshemmende Wirkung weniger genau prognostiziert werden. Um erste Erfahrungswerte zu sammeln, wurden Sprengversuche durchgeführt, bei denen Thujen- und Kirschlorbeerhecken einer Explosionsbelastung ausgesetzt wurden. Die hierbei verwendete Explosivstoffmenge entspricht der einer Rucksackbombe. Im Abstand von 0,5 m hinter den Hecken konnte die Druckbelastung mit deren Hilfe um etwa 60 % (Thuja, Bild 1) und 30 % (Kirschlorbeer, Bild 2) im Vergleich zur ungehinderten Ausbreitung der Schockwelle verringert werden. Auch an einer 5 m hinter den Hecken befindlichen Fassade wurde die Belastung mit der durchschnittlich 1,1 m hohen Thujenhecke um etwa 35 % gesenkt. Diese Werte sind vielversprechend und liegen über den ersten Erwartungen der Autoren. Die Versuche belegen erstmals die Eignung von Pflanzen als explosionshemmende Elemente. Sie zeigten aber auch deutliche Unterschiede zwischen den Pflanzenarten. Während die Thujen sogar mehrfache Explosionsbelastungen nahezu unbeschadet überstanden, wurden große Teile der Kirschlorbeerblätter abgerissen oder stark beschädigt (Bild 2). Große Blattoberflächen, die für schallmindernde Anwendungen vorteilhaft sind [5], sind für diese Zielsetzung folglich ungeeignet. Aus den Ergebnissen der Versuche und grundsätzlichen Überlegungen können die in Tabelle 1 zusammengefassten Anforderungen an explosionshemmende Pflanzen formuliert werden. Detaillierte Darstellungen der Versuchsdurchführung, der Ergebnisse und zu Ansätzen für numerische Simulationen sind in [4] und [6] zu finden. Derzeit wird die Forschung in diesem Bereich fortgesetzt, um Aussagen zur Wirksamkeit anderer Pflanzenarten treffen zu können. Neben der explosionshemmenden Wirkung ermöglichen Pflanzen zudem eine ansprechende Gestaltung und Aufwertung urbaner Räume. Sie leisten einen unverzichtbareren Beitrag zur Stadtökologie, vermindern die CO 2 -Belastung, wirken klimaregulierend, spenden Schatten und bieten Habitate für Tiere. Bild 1 und 2: Zustand der Thujenhecke, oben, und der Kirschlorbeerhecke, unten, nach der Explosionsbelastung. © WTD 52/ UniBw München Tabelle 1: Anforderungen für explosionshemmende Pflanzen. Generelle Anforderungen Optionale Anforderungen immergrün Standorteignung blickdicht Pflegeleichtigkeit hoher Biomasseanteil Schnittverträglichkeit nicht-sprödes Materialverhalten Frosthärte geringe Blattgrößen oder Nadeln gesundheitlich unbedenklich 40 4 · 2017 TR ANSFORMING CITIES THEMA Sicherheit im Stadtraum Anwendungsbeispiel 2: Metallische Ringgeflechte Metallgewebe oder Ringgeflechte sind aufgrund ihrer Transparenz beliebte architektonische Gestaltungselemente. Die Fassade des Parkhauses der Messe Bologna wurde mit Metallgeweben gestaltet und am Hauptsitz der Firma Swarovski in Wattens (Österreich) wurde ein weitgestrecktes, wellenförmiges Ringgeflecht installiert (Bild 3). Illuminationen oder die Kombination mit Wasser, das flächig durch das Ringgeflecht rinnt, eröffnen weitere Gestaltungsmöglichkeiten. Ringgeflechte allein sind bei Explosionseinwirkung vor allem geeignet, um Splitter und Fragmente abzufangen. Zudem können sie als Abstandsbarrieren einsetzt werden und sind bei entsprechender Verankerung auch in der Lage, Fahrzeuge zu stoppen [7]. Die druckmindernde Wirkung ist aufgrund des vergleichsweise großen Öffnungsanteiles gering. In anderen Zusammenhängen wurde bereits der explosionshemmende Effekt von versprühtem oder vernebeltem Wasser untersucht [8], was Anlass bot, die bis dahin rein aus gestalterischen Gesichtspunkten verwendete Kombination aus Ringgeflecht und Wasserdurchfluss, hinsichtlich ihrer Eignung als explosionshemmende Barriere näher zu betrachten. Hierzu wurde eine ähnliche Versuchsanordnung wie im Falle der Pflanzen gewählt (Bild 5). Die Auswertung der Messwerte zeigt, dass durch die Kombination aus Ringgeflecht und Wasser eine deutliche Steigerung der druckmindernden Wirkung erzielt werden kann. Am Messpunkt 0,5 m hinter der Barriere konnte der Druck der Schockwelle Bild 3 und 4: Anwendungsbeispiel (links). © Norbert Gebbeken Detailansicht (rechts) von Ringgeflechten. © WTD 52/ UniBw München um durchschnittlich 55 % reduziert werden und an der Fassade im Abstand von 5,0 m um rund 40 %. Das entspricht einer Steigerung der explosionshemmenden Wirkungen um mehr als das Doppelte gegenüber dem Ringgeflecht ohne Wasser. Die Reflexion der Schockwelle an der anfangs geschlossenen Wasseroberfläche im Ringgeflecht und der Energiebedarf für das anschließende Zerstäuben des Wasserfilms (Bild 6) wirken sich in diesem Fall vorteilhaft im Vergleich zum Ringgeflecht ohne Wasser aus. Damit konnte experimentell belegt werden, dass diese architektonisch ansprechenden Gestaltungselemente einen substanziellen Beitrag zur Reduzierung von Explosionsbelastungen leisten können. Detaillierte Darstellungen hierzu können [9] entnommen werden. Folgerungen für die Gestaltung von Stadträumen der Zukunft Anhand von Versuchen konnte eindrucksvoll gezeigt werden, dass Elemente der innerstädtischen Gestaltung bei geeigneter Anordnung und durch gezielte Auslegung wesentlich zur lokalen Eindämmung von Explosionsszenarien und zur Reduzierung der Belastung auf Personen und Gebäude infolge derartiger Ereignisse beitragen können. Damit eröffnen sich gänzlich neue Möglichkeiten für Städteplaner und Architekten. Mit der Unterstützung durch Experten für den baulichen Schutz, kann die passende Antwort auf Fragen potenzieller terroristischer Bedrohungen folglich auch ohne wuchtige und möglicherweise selbst bedrohlich wirkende Schutzelemente gefunden werden. Damit tragen innovative Barrieren zusätzlich zur Aufwertung öffentlicher THEMA Sicherheit im Stadtraum 41 4 · 2017 TR ANSFORMING CITIES Räume bei und ermöglichen gleichzeitig den Spagat zwischen der Forderung nach mehr Sicherheit sowie dem Erhalt einer freien und offenen Gesellschaft, die ihren Ausdruck in moderner und transparenter Architektur findet. LITERATUR [1] Gebbeken, N., Döge, T.: Vom Explosionsszenario zur Bemessungslast, Der Prüfingenieur 29, Bundesvereinigung der Prüfingenieure für Bautechnik e.V., (2006), S. 42-52. [2] Gebbeken, N., Döge, T.: Explosion Protection - Architectural Design, Urban Planning and Landscape Planning, International Journal of Protective Structures, Vol. 1, No. 1: 1-21 (2010). [3] Gebbeken, N., Döge, T., Larcher, M.: Sicherheit bei terroristischen Bedrohungen im öffentlichen Raum durch spezielle bauliche Lösungen. Bautechnik 88: 668-676 (2011). [4] Gebbeken, N.: Urbane Sicherheit bei Explosionen - Schutz durch Bepflanzung. Bautechnik 94, Nr. 5: 295-306 (2017). [5] Späh, M., Weber, L., Oesterreicher, T., Liebl, A.: Schallschutzpflanzen - Optimierung der Abschirmwirkung von Hecken und Gehölzen, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart, 2011 - Forschungsbericht. [6] Gebbeken, N., Warnstedt, P., Rüdiger, L.: Blast Protection in Urban Areas Using Protective Plants, International Journal of Protective Structures, zur Veröffentlichung eingereicht. [7] Lenk, O.: Charakterisierung und Anwendung von flächig periodischen Metall-Ringgeflechten, Der Andere Verlag Tönning, Lübeck und Marburg, 2009. [8] Schunck, Th., Sturtzer, M.-O., Mory, J., Eckenfels, D., Legendre, J.F.: Blast Mitigation using Water Mist, ICPS4 proceedings, pp. 608 - 617, Bejing, 18-21 Oktober 2016. [9] Gebbeken, N., Rüdiger, L., Warnstedt, P.: Ring Mesh with Water Curtain for the Protection of Urban Areas, International Journal of Protective Structures, zur Veröffentlichung eingereicht. Bild 5 und 6: Frontalansicht des Versuchsaufbaus, links, und Standbild der Highspeed- Videoaufnahmen während der Versuchsdurchführung, rechts. © WTD 52/ UniBw München Dipl.-Ing. (univ.) Paul Warnstedt Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungszentrum RISK, UniBw München Kontakt: paul.warnstedt@unibw.de Dipl.-Ing. (univ.) Matthias Andrae Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungszentrum RISK, UniBw München Kontakt: matthias.andrae@unibw.de Dr.-Ing. Lars Rüdiger Wissenschaftlicher Laborleiter Forschungszentrum RISK, UniBw München Kontakt: lars.ruediger@unibw.de Dipl.-Ing. (univ.) Weifang Xiao Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungszentrum RISK, UniBw München Kontakt: weifang.xiao@unibw.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Norbert Gebbeken Professor für Baustatik Gründer des Forschungszentrums RISK Labor für Ingenieurinformatik, Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften Universität der Bundeswehr (UniBw) München Kontakt: norbert.gebbeken@unibw.de AUTOREN