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Vulnerability and loss assessment of buildings to hydro-meteorological hazards

Ciurean, Roxana Liliana (2016) Vulnerability and loss assessment of buildings to hydro-meteorological hazards.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Glade, Thomas
Gesperrt bis: 17 February 2018
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30003.73696.460665-2

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Abstract in English

Recent environmental changes are associated with an increased frequency and severity of hydro-meteorological hazards. Even though socio-economic development globally has reduced mortality risk associated with major weather related hazards, it also contributed to an increase in the exposure of economic assets to natural hazards. Vulnerability assessment, as a component of the consequence analysis, represents a fundamental stage in the risk assessment process because it relates the hazard to the underlying characteristics of the built environment that makes it susceptible to damage and loss. Thus, advancements in its understanding can lead to more effective risk management strategies which are essential for reducing loss of life and economic costs. The scope of this thesis is the development and application of a methodological framework for vulnerability and loss assessment of buildings to hydro-meteorological hazards. The work is based on the identification and application of current tools and methods for vulnerability and loss assessment, while a specific focus is set on the quantitative and qualitative evaluation of uncertainties related to data quality and models. Two extreme events, a flood and a debris flow, were analyzed in two study sites (Romanian Carpathians and Italian Alps). A variety of different methodological approaches were necessary to address the research questions as both study areas exhibit different data availability and spatial scales. Interviews, multi-criteria evaluation, and heuristic analysis were conducted in the Romanian Carpathians (local scale) while regression analysis, deterministic analysis and stochastic simulations were applied for the Italian data sets (local and regional scale). The analyses were continuously complemented with field mapping and spatial analysis using geographic information systems (GIS). In the Romanian case study, the novel use of transferred vulnerability curves combined with an expert-based index resulted in the generation of a site-specific vulnerability curve for floods. Given the scarce input data, an experts’ agreement level was assessed in order to ensure transparency of the results. In Italy, two vulnerability models were applied: the first was developed locally resulting in a new empirical vulnerability curve for debris flows. Due to structural and non-structural differences in building characteristics, a resistance-based (parametric) model was implemented at regional scale. Both models were compared and subsequently incorporated in direct loss analysis. Data uncertainty was expressed using cumulative distribution functions and value ranges. The results were partially integrated in an interactive web-GIS tool and used as input for further quantitative risk analyses. The findings show that the results of vulnerability assessments are highly dependent on the scale of analysis and input data availability. Limitations due to sparse data and the use of empirical approaches may be surpassed by applying mixed models. Moreover, uncertainties in vulnerability/loss estimates can be characterized using simple expressions like minimum/maximum values, which are sufficient for deriving decision criteria. The findings of this thesis contribute to a better understanding of the role of structural vulnerability in determining risk levels for hydro-meteorological hazards in the Italian and Romanian study areas. Finally, the spatial distribution of loss allows the identification of hot spots for future analysis with more detailed, maybe probabilistic or analytical based models.

Schlagwörter in Englisch

Vulnerability and loss assessment / buildings / hydro-meteorological hazards / uncertainty

Abstract in German

Aktuelle Umweltveränderungen sind mit einer erhöhten Frequenz und Intensität von hydrometeorologischen Naturgefahren verbunden. Gegenwärtige sozioökonomische Entwicklungen haben hierbei dazu beigetragen, das globale Mortalitätsrisiko gegenüber diesen wetterbedingten Naturgefahren zu reduzieren, wobei sich gleichzeitig die Exposition von Vermögenswerten erhöht hat. Vulnerabilitätsanalysen, als Teil der Konsequenzenanalyse, stellen hierbei einen fundamentalen Bestandteil der Risikoevaluierung dar, da dadurch die Naturgefahr selbst mit den zugrundeliegenden Merkmalen der baulichen Umgebung in Zusammenhang gebracht werden kann. Daher können Vulernabilitäsanalysen wesentlich zu einer Effizienzsteigerung von Risikomanagementstrategien führen, welche wiederum zur Reduzierung von Schäden an Personen und Sachgütern beitragen. Das Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung und Anwendung eines methodischen Rahmens, um die Vulnerabilität und Schäden von Gebäuden gegenüber hydrometerologischen Naturgefahren zu erörtern. Die Arbeit basiert auf der Identifikation und Anwendung von aktuellen Werkzeugen und Methodiken, wobei auch Daten- und Modellunsicherheiten qualitativ und quantitativ evaluiert werden. Hierbei werden zwei extreme Ereignise, ein Überflutungsereignis und ein Murgangereignis für die Untersuchungsgebiete (rumänische Karpaten, italienische Alpen) analysiert. Da die Studiengebiete unterschiedliche räumliche Skalenbereiche abdecken und die Datenverfügbarkeit variiert, wird eine Vielzahl von Methodiken angewandt, um die Forschungsfragen zu adressieren. Interviews, multi-kriterielle Evaluierungen und heuristische Analysen werden im Untersuchungsgebiet „rumänische Karpaten“ (lokale Skala) durchgeführt, während Regressionsanalysen, deterministische Ansätze und stochastische Simulationen für die italienischen Datensätze (lokale und regionale Skala) angewandt werden. Die Analysen wurden dabei fortlaufend durch Feldbegehungen (z.B. Kartierungen) und räumliche Analysen mit Hilfe geographischer Informationssysteme (GIS) ergänzt. Durch die neuartige Verwendung von übertragbaren Vulnerabilitätskurven, welche mit einem expertenbasierten Index kombiniert wurden, konnte eine ortsspezifische Vulnerabilitäskurve für Überschwemmungen im rumänischen Untersuchungsgebiet entwickelt werden. Die Evaluierung eines Experten-Übereinkunfts-Kriteriums („experts’ agreement level“) war hierbei aufgrund der spärlichen Datenlage erforderlich, um eine Transparenz der Ergebnisse zu gewährleisten. Für die italienische Fallstudie wurden zwei Vulnerabilitätsmodelle angewandt. Das erste Modell wurde auf lokaler Skalenebene entwickelt, wodurch eine empirische Vulnerabilitätskurve für Murgänge generiert werden konnte. Ein resistenzbasiertes (parametrisches) Modell wurde, aufgrund der strukturellen und nicht-strukturellen Unterschiede in den Gebäudeeigenschaften innerhalb des Untersuchungsgebietes, auf regionaler Maßstabsebene umgesetzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden im Anschluss verglichen und in eine direkte Schadensanalyse integriert. Datenunsicherheiten konnten hierbei mit Hilfe von Wertebereichen und kumulativer Verteilungsfunktionen ausgedrückt werden. Teile der Ergebnisse dieser Analysen wurden in ein interaktives Web-GIS-Tool integriert und als Parameter für weiterführende quantitative Risikoanalysen verwendet. Diese Dissertation zeigt auf, dass die Ergebnisse von Vulnerabilitätsanalysen stark von der Maßstabsebene der Analysen und der Verfügbarkeit und Qualität der zugrundeliegenden Daten abhängig sind. Limitationen, welche im Zusammenhang mit der Datenverfügbarkeit oder der angewandten empirischen Methodik stehen, können hierbei durch Anwendung gemischte Modelle reduziert werden. Weiters wurde aufgezeigt, dass Unsicherheiten der Vulnerabilitäts- und Schadensprognosen mit einfachen Kennwerten (Minimal- / Maximalwerte) ausgedrückt werden können. Diese Wertebereiche erscheinen hierbei ausreichend, um Entscheidungskriterien abzuleiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der Rolle der strukturellen Vulnerabilitäsanalysen bei der Bestimmung von Risikoabschätzung gegenüber hydrometerologischen Naturgefahren in den beiden Untersuchungsgebieten bei. Die in dieser Dissertation erörterte räumliche Verteilung der Schäden kann hierbei förderlich sein, um Hotspots für weiterführende Analysen (z.B. probabilistische und analytische Modelle) zu identifizieren.

Schlagwörter in Deutsch

Vulnerabilitätsanalyse / Konsequenzenanalyse / Gebäude / hydrometerologischen Naturgefahren / Unsicherheit

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Ciurean, Roxana Liliana
Title: Vulnerability and loss assessment of buildings to hydro-meteorological hazards
Subtitle: exploring uncertainties in data and models
Umfangsangabe: 213 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Geographie)
Publication year: 2016
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Glade, Thomas
Assessor: Glade, Thomas
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.09 Physische Geographie
AC Number: AC13078647
Item ID: 41575
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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