Vehicles, pedestrians and flood risk: a focus on the incipient motion due to the mean flow

Arrighi, Chiara

Es wurde gezeigt, dass die Mehrheit der Todesfälle auf ein Fehlverhalten (z.B. Fahren bzw. Gehen in Flutwasser) zuruckzuführen sind. In der Tat verlieren Fahrzeuge ihre Stabilität bereits bei sehr kleinen Wassertiefen, so dass sie zu Todesfallen werden können. Obwohl die Sicherheit von Menschen das oberste Ziel jedes Hochwasserrisikomanagements darstellt und obwohl hierfür auch die Sicherheit von Fahrzeugen in Fluten entscheidend ist, liegen nur spärliche Kenntnisse über die kritischen Bedingungen für den Bewegungsbeginn von Fußgängern und Fahrzeugen vor. Daher besteht das Hauptziel dieser Dissertation darin, das Verständnis der Mechanismen, die für die Instabilität der Fußgänger und Fahrzeuge durch das strömende Wasser der Flut verantwortlich sind, zu verbessern und neue Flutgefährdungskriterien zu entwickeln, die sowohl die mittleren Parameter der Strömung (v, h) als auch die Parameter der teilgetauchten Körper berücksichtigen. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine ausführliche kritische Analyse des Wissensstands durchgeführt. Zweitens wurden die auf ein teilgetauchtes Fahrzeug und einen teilgetauchten Fußgänger wirkenden Kräfte analysiert. Als Ergebnis wurden zwei dimensionslose Mobilitätsparameter entwickelt, die maßgeblich von der Froude-Zahl bestimmt werden. Die neuen Mobilitätsparameter wurden für die Analyse der vorliegenden experimentellen Daten herangezogen, um den jeweiligen kritischen Mobilitätsparameter fur den Bewegungsbeginn zu bestimmen. Drittens wird ein 3D numerisches Modell in OpenFOAM anhand der experimentellen Daten, die nur für mittlere Strömungsparameter vorliegen, validiert. Mit dem validierten CFD-Modell wurde eine Parameterstudie durchgeführt, um die relative Bedeutung der hydrodynamischen Kräfte unter Berücksichtigung der mittleren Strömungsparameter zu analysieren und die entsprechenden maßgeblichen dimensionslosen Parameter und Kennzahlen zu ermitteln. Die Ergebnisse der numerischen Simulation für die Reproduzierung von Experimenten für ein ausgewähltes Fahrzeug wurden analysiert und diskutiert. Schließlich wurden die neuen Gefährdungskriterien für zwei Fallstudien benutzt, um die Anwendbarkeit der beiden neuen Mobilitätsparameter und die Vorteile von Gefährdungskarten auf der Grundlage des neu eingeführten Vorgehens zu demonstrieren.

Floods are overflowing of water onto land, which is normally dry and are one of the costliest natural hazards. According to global scale reports, in the last decade floods affected the largest number of people with respect to other hazards such as earthquakes or droughts. Beside the damages to structures and infrastructures, floods also cause many fatalities and injuries. It has been demonstrated that the majority of fatalities occurs as a consequence of inappropriate high-risk behaviours like driving and walking in floodwaters. In fact, vehicles can lose stability also for very low water depths and may turn into deadly traps. For flood risk managers, people safety is the primary objective, but although vehicles are so crucial, very little is known about the critical conditions in which the onset of motion occurs. Besides, the existing instability criteria for pedestrians under water flow suffer from the large scatter of experimental pairs of critical water depth and velocity. As a matter of fact, the instability conditions of both vehicles and pedestrians are affected not only by flood parameters (i.e. water depth and velocity), but also by geometric and physical properties of the object. The main aim of this PhD research project is to better understand the instability mechanisms for pedestrians and vehicles, which are responsible for most of the casualties in order to introduce new hazard criteria capable of accounting for both flood and object characteristics. For this purpose, a comprehensive analysis of the current knowledge is firstly presented. Secondly, the forces acting on a partly immersed vehicle and human subject are examined and two dimensionless mobility parameters are introduced. The existing experimental data on vehicles and people instability are used to identify a dimensionless critical threshold of incipient motion. Thirdly, a 3D numerical model in the OpenFOAM framework is adopted to clarify the role of hydrodynamic forces and determine relevant dimensionless parameters and scaling numbers involved in the instability mechanisms, considering the mean flow properties. Then, the results of the numerical simulations for a selected vehicle, which reproduce a set of existing experiments, are analysed and discussed. Finally, two case studies are presented in order to demonstrate the applicability of the mobility parameters to the field scale and the advantages of hazard maps implemented with the proposed method.

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Arrighi, Chiara: Vehicles, pedestrians and flood risk: a focus on the incipient motion due to the mean flow. 2016.

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