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Terroranschläge, Naturkatastrophen oder Unfälle: Das Fraunhofer EMI entwickelt Technologien und Lösungen, um unsere Gesellschaft und deren Infrastrukturen widerstandsfähig zu machen.
Neben Themen der technischen Zuverlässigkeit, Robustheit, berechenbarer Risiken und Resilienz rücken auch die Aspekte der Sicherheit komplexer soziotechnischer Systeme immer mehr in den Blick der Forschung.
Terroranschläge, Naturkatastrophen oder Unfälle verursachen immer wieder schwere Schäden für unsere Gesellschaft. Das Geschäftsfeld Sicherheit am Fraunhofer EMI erforscht und entwickelt deshalb Technologien, Methoden und Ideen, um unsere Gesellschaft und deren Infrastruktur widerstandsfähig, fehlertolerant und robust gegenüber derartigen Gefahren zu machen. Damit versuchen wir jeden Tag, etwas zum Schutz von Menschen in den verschiedensten Lebenssituationen beizutragen – ob zu Hause, in der Stadt oder am Flughafen.
Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten die Gesellschaft aber nicht nur sicher, sondern sogar »resilient« gestalten. Resiliente Systeme sind sehr widerstandsfähig und gleichzeitig lernfähig und adaptiv. Solche Systeme können Bedrohungen zudem antizipieren und oftmals verhindern, dass es überhaupt zu einem widrigen Ereignis kommt. Am Fraunhofer EMI setzen wir durch unsere Forschung diese abstrakten Ideen in konkrete technische Lösungen für wichtige Teile unserer Gesellschaft um.
Der erste große Schwerpunktbereich im Geschäftsfeld Sicherheit des EMI ist der Schutz von Gebäuden und Infrastrukturen gegenüber Extrembelastungen wie Explosionen, Feuer, Starkwindereignissen sowie Erdbeben oder Flut.
Dazu entwickelt das Fraunhofer EMI etwa ultrahochfeste Betone weiter und entwirft Konzeptlösungen zu Belastungsszenarien wie zum Beispiel Flugzeugabstürzen. Hier bietet unser Institut Schutzkonzepte an, die die Resttragfähigkeiten von Gebäudestrukturen erheblich verbessern. Der speziell zur Energieabsorption von uns entwickelte Werkstoff Polymerbeton (Biobeton) führt zu deutlichen Schadensreduzierungen bei Impaktbelastungen und Explosionsereignissen. Außerdem entwickeln wir zum Beispiel verschiebbare, flexible Schutzwandsysteme, die sowohl in Krisengebieten als auch bei Großveranstaltungen genutzt werden können.
Effektive Schutzkonzepte können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer EMI nur entwickeln, weil sie ein tiefgehendes Verständnis für das Verhalten von Materialien, Bauteilen und Strukturen unter extremen Belastungen haben. Die experimentellen und virtuellen Methoden, mit denen sie diese Belastungen im Labor und am Computer nachstellen, werden daher stetig weiterentwickelt und verbessert. Insbesondere die Vielzahl an Leichtgas-Beschleunigeranlagen und die dort verwendete Messtechnik sind europaweit einzigartig.
Speziell entwickelte Ingenieurcodes ermöglichen die Berechnung von Grenzwerten für die dynamische Belastbarkeit, sogenannte Zerstörungskennlinien, für konventionelle Werkstoffe wie Stahlbeton, Mauerwerk, Glas und deren Verstärkungsmöglichkeiten. Das am EMI entwickelte RHT-Modell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Beton wird weltweit im Hydrocode Autodyn eingesetzt.
Neben direkten baulichen Maßnahmen erforscht das Fraunhofer EMI auch neue Sensortechnologien, die die Einsatzkräfte während und nach einer Krisensituation dabei unterstützen, gefährdete und verletzte Menschen möglichst schnell und sicher bergen zu können. In Bauwerke integrierte Sensornetzwerke liefern Echtzeitinformationen über den Zustand einer Gebäudestruktur und ermöglichen so die Meidung besonders kritischer und vom Einsturz gefährdeter Bereiche.
Um Katastrophen wie die vom 11. März 2011 in Japan durch den Tsunami zu verhindern, müssen Gesellschaften und ihre Strukturen gegen solche zunächst unvorstellbaren Ereignisse gerüstet sein. Elementar ist es dabei, das Verhalten des Systems im Extremfall simulieren und die Konsequenzen eines extremen Ereignisses im Vorfeld prognostizieren zu können. Eine weitere Kernkompetenz des Geschäftsfelds Sicherheit ist deshalb das Thema Risiko- und Resilienzanalyse.
Das Fraunhofer EMI entwickelt computergestützte Methoden zur Risikoanalyse auf der Basis abgesicherter, empirischer Modelle. Im Rahmen der Modellbildung werden sowohl Eintrittswahrscheinlichkeit als auch Schadensausmaß der zu betrachtenden Szenarien quantitativ erfasst. Die Risikoanalyse sagt die Gefährdung der Umgebung im Falle etwa einer Detonation vorher. Dies beinhaltet die Auswirkungen des Luftstoßes und des Trümmerwurfs auf Personen, Geräte und Bauwerke. Zielsetzung der Analysen ist die Identifikation von sicherheitssensitiven Aspekten.
Daneben entwickeln unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch anwendernahe Softwarelösungen für urbane Sicherheit. So können Planer und Verantwortliche in Städten und Kommunen mithilfe EMI-eigener interaktiver Web-Applikationen zur Entscheidungsunterstützung ein fundiertes Risikomanagement (unter anderem nach ISO 31000) betreiben. Um eine einfache und intuitive Bedienbarkeit zu erreichen, werden am EMI für diese Tools 3D-Visualisierungsmöglichkeiten entwickelt.
Aktuell werden die bisherigen Methoden und Werkzeuge der Risikoanalyse am Fraunhofer EMI im Hinblick auf das Thema Resilienz weiterentwickelt. Hier stehen Fragen nach geeigneten Indikatoren zur Messung von Resilienz und den richtigen Algorithmen, um ein derart komplexes Konzept methodisch erfassen zu können, im Mittelpunkt.
Unsere Gesellschaft ist auf das zuverlässige Funktionieren einer unüberschaubaren Vielzahl an komplexen technischen Systemen angewiesen. Die technische Zuverlässigkeit und Robustheit solcher Systeme sowie generell die Softwaresicherheit von Steuerungssoftware sind der dritte Kompetenzbereich des Geschäftsfelds Sicherheit am Fraunhofer EMI.
Die technischen Analysen befassen sich vor allem mit dem Nachweis der Sicherheit und Zuverlässigkeit von sicherheitskritischen Systemen in wichtigen Infrastrukturen. Sie berücksichtigen mechanische, pyrotechnische, elektronische und softwaretechnische Komponenten des Systems. Dazu nutzt das Fraunhofer EMI eine Reihe etablierter formaler und semiformaler, quantitativer und qualitativer Methoden, wie etwa Fehlerbaumanalysen, FMEA, Hazard Analysis und andere.
Am Fraunhofer EMI ist durch eine Kombination aus physikalisch-ingenieurtechnischer Modellierung von Extremereignissen und transparenter, softwaregestützter, interaktiver Ergebnisdarstellung, vor allem mit 2D- und 3D-Visualsierung der Analysen, eine detaillierte Untersuchung diverser, sicherheitskritischer Systeme möglich. Diese Analysen können bereits in der Entwicklung des Systems durchgeführt werden. Das EMI berät daher Systementwickler im Hinblick auf eine risikominimale und sicherheitsoptimierte Ausgestaltung ihrer jeweiligen Systeme.
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMI