LifePatron® Erweitertes Erdbebenwarnsystem

Untersucht wird ein Erdbebenfrühwarngerät, das Aufzüge stoppen und gebäudetechnische Sicherheitsmaßnahmen ergreifen kann.

von Jürgen Prybylak

Einführung

Schätzungsweise sieben Millionen Menschen haben in den letzten 500 Jahren bei Erdbeben ihr Leben verloren. Seismologen registrieren jährlich etwa 20,000 Beben. Experten sind sich einig, dass die Millionen Menschen, die in den großen erdbebengefährdeten Metropolregionen leben, in naher Zukunft von den Katastrophen bedroht sein werden, auf die sie nicht ausreichend vorbereitet sind. 

Trotz verbesserter Gebäudesicherheitsmaßnahmen durch erdbebensicheres Bauen sterben Tausende von Menschen bei großen Erdbeben durch einstürzende Gebäude und Brände durch geplatzte Gasleitungen und spannungsführende Hochspannungsleitungen. Leider wissen viele Menschen nicht viel über Erdbeben und die verschiedenen Probleme, die sie verursachen können.

Erdbeben sind temporäre Erschütterungen des Bodens, die sich von ihrem Entstehungsort in unterschiedlichen Wellen in alle Richtungen ausbreiten. Seismische Wellen werden zwischen primären (P) und sekundären (S) Wellen unterschieden. Die P-Welle (normalerweise zerstörungsfrei) breitet sich in einer überwiegend vertikalen Bewegung aus und hat eine Geschwindigkeit, die ungefähr doppelt so groß ist wie die der horizontalen S-Welle, die normalerweise ein größeres Verschiebungspotential hat und die Bewegung am häufigsten mit Strukturschäden verbunden ist. Während die genaue Geschwindigkeit dieser Wellen aus dem Erdbebenherdbereich von der Geologie und anderen Faktoren abhängt, bleibt ihr relativer Geschwindigkeitsunterschied etwas konstant. Somit bietet eine zuverlässige Erkennung von P-Wellen eine Gelegenheit für eine automatische Warnung vor der bevorstehenden Ankunft der schädlicheren S-Welle. Folglich erreicht die P-Welle immer zuerst den Ort des Systems

Die internationale Richterskala beschreibt mit Hilfe von Seismographen die Stärke eines Erdbebens in seinem Hypozentrum (der Stelle, an der die im Gestein gespeicherte Dehnungsenergie zuerst freigesetzt wird und den Punkt markiert, an dem die Verwerfung zu reißen beginnt). Zu den unterschiedlichen Größenordnungen zählen:

• Erdbeben mit einer Stärke von 2.0 oder weniger werden als Mikrobeben bezeichnet und sind normalerweise nicht wahrnehmbar.
• Erdbeben der Stärke 2.0 bis 3.9 sind für die meisten ruhenden Menschen wahrnehmbar.
• Erdbeben der Stärke 4.0 bis 5.2 werden von den meisten Menschen bemerkt.
• Erdbeben mit einer Stärke von mehr als 5.2 werden von allen Menschen wahrgenommen.

Eine Größenordnung höher auf der Skala bedeutet die 32-fache Energiefreisetzung (logarithmischer Anstieg). Die häufig verwendete Richterskala und andere wissenschaftliche Ausdrücke der Erdbebenstärke sind logarithmische Skalen, die verwendet werden, um die durch ein Erdbeben freigesetzte Energiemenge zu quantifizieren. Sie sind keine technischen Maßstäbe und sind oft verwirrend, wenn man die Auswirkungen eines Erdbebens in verschiedenen Entfernungen vom Epizentrum (Bereich der Erdoberfläche, auf den die Erdbebenenergie gerichtet ist) oder Fokus (Ursprung des Bruchs in der Erdkruste) vergleicht.

Intensität

Da die Auswirkungen eines Erdbebens in bestimmten Entfernungen vom Epizentrum aufgrund von Geologie, Bodenbeschaffenheit, Bruchmechanismus und anderen Faktoren stark variieren, ist bei der Betrachtung potenzieller Schäden nicht die Richterskala, sondern die Intensität der Erschütterung die wichtigste Überlegung in der betreffenden Einrichtung.

Vollständige Warnzeit 

Die Warnzeit (P und S1) ist bei jedem Erdbeben unterschiedlich. Wir schauen in die erste Spitze der P-Welle und analysieren ihre Frequenz, Beschleunigung und andere Eigenschaften. Die Analyse einer Welle dauert einen Bruchteil einer Sekunde. Nach der Analyse weiß das System dann, wie hoch die Intensität der Welle sein wird, wenn sie den Standort des installierten Systems erreicht. Ein Alarm löst alle Schaltvorgänge aus und leitet sie weiter. Der untere Teil des Diagramms zeigt den Schaltimpuls des Systems. Wenn der Schwellenwert (Intensität am Gebäude) höher als der eingestellte Wert ist, gibt das System einen Alarm aus. Auf diese Weise ist es möglich:

• Geben Sie einen Alarm, bevor das Erdbeben auftritt
• Gas-, Strom- und Wasserversorgung absperren
• Notstromaggregate aktivieren
• Parkaufzüge
• Sicherheitstüren und -tore öffnen
• Schalten Sie Verkehrs- und Tunnellichter aus, um den Verkehr zu stoppen, bevor die eigentliche Welle schlägt
• Bahnsignalanlagen steuern
• Datensicherungsprogramme ausführen
• Schalten Sie Gebäudemanagementsysteme um, um Aufzüge zu stoppen, Gas, Wasserventile und Strom abzuschalten. 

Platz für die Installation

Um eine genaue Messung durchführen zu können, müssen die Erdbebensensoren immer im untersten Stockwerk des Gebäudes installiert werden, damit die direkte Zuordnung (Erde/Gebäude) 1:1 in den Sensor übertragen wird. In jedem Erdbebensensor steckt ein Sensor, der die Schwingungen am Einbauort analysiert. Bei Überschreitung des eingestellten Schwellwertes wird das Signal einer Buskommunikationsleitung an den Master gesendet. Der Master scannt zyklisch alle Slaves und entscheidet über die Alarmauslösung aller Erdbebenmelder im angeschlossenen System. Die Anzahl der Erdbebendetektoren ist projektabhängig.

Beispiele für die Anzahl der Sensoren:

• Privathaus: ein Meister und zwei Sirenen
• Wohnung mit 10 Wohnungen: ein Master, ein Slave, ein Netzteil und 10 Sirenen
• Einkaufszentrum: ein Master und drei bis fünf Slaves, mit sirenenabhängiger Stromversorgung
• Aufzug per P-Welle steuern: ein Master und ein Slave

Wir können den Aufzug per P-Welle für kurze Zeit (z. B. 2 Minuten) im nächsten Stockwerk parken, und bei einer S-Welle kann das System den Aufzug zur Kontrolle anhalten.

Beschreibung der Geräte

1. Erdbebenmelder Master mit Display (EQm)

• Die Basisversion des Secty LifePatron^® besteht aus einem Standalone-Gerät mit einem integrierten, wiederaufladbaren Akku zur Notstromversorgung von zwei angeschlossenen 105-Dezibel-Sirenen zur Warnung vor einem drohenden Erdbeben.
• Ein potentialfreies Relais (≤230V) zur Abschaltung der Gasversorgung durch ein elektromagnetisches Gasventil oder andere Schaltvorgänge
• Die Bedienung des Systems erfolgt menügeführt über ein LCD-Display (vier x 20 Zeichen), wobei eine Konsole in die Frontabdeckung des Gehäuses integriert ist. Alle anstehenden Informationen und Hinweise werden im Display angezeigt. Es besteht die Möglichkeit, die Bedien- und Kontrollfunktionen über TABD aus der Ferne (Sicherheitszentrale oder Pförtner) zu beobachten.
• Der Systemstatus wird optisch durch LEDs für Betrieb, Störung und Alarm angezeigt.
• Gehäuseabmessungen: 217 x 250 x 122 mm

2. Erdbebenmelder-Slave (EQs)

• Redundante Sicherheit
• Dazu werden EQs über Datenleitungen in einer Master/Slave-Anordnung verbunden. Der Master scannt alle Slaves zyklisch und entscheidet über die Alarmauslösung. Es können maximal 16 Erdbebenvorwarnsensoren angeschlossen werden
• An jedem Slave können zwei Sirenen installiert werden
• Der Systemstatus wird optisch durch LEDs für Betrieb, Störung und Alarm angezeigt.
• Gehäuseabmessungen: 217 x 250 x 122 mm

3 Netzteil

• z Liefert Niederspannung über eine Niederspannungs-Strom-/Stromleitung. Zwei integrierte, wiederaufladbare Batterien sorgen für Notstrom, um den Betrieb des Systems bei Stromausfall zu sichern. Fortsetzung
• Wenn der Master ein drohendes Erdbeben meldet, wird der optische/akustische Alarm ausgelöst und über die maximal sechs an die Stromversorgung angeschlossenen Sirenen ertönt.
• XNUMX Geräte können mit Strom versorgt werden
• Der Systemstatus wird optisch durch LEDs für Betrieb, Störung und Alarm angezeigt.
• Gehäuseabmessungen: 281 x 290 x 147 mm

4. Energiemanagementsystem (EMS)

• Das EMS-System kann bis zu maximal acht verschiedene elektronisch betriebene Energiesysteme und Gebäudeinstallationen (acht potentialfreie Kontakte (≤230V)) steuern.
• Meldet der Kapitän ein drohendes Erdbeben, wird ein Alarm ausgelöst, der das EMS aktiviert und sofort alle angeschlossenen Energiesysteme und elektronischen Gebäude- und Infrastrukturanlagen ansteuert.
• Der Systemstatus wird optisch durch LEDs für Betrieb, Störung und Alarm angezeigt.
• Gehäuseabmessungen: 217 x 250 x 122 mm

5. Zentrales Bedien- und Kontrollmitglied (TABD) 

• Kontrollorgan, falls der Master kein Display hat
• Installation in einem Kontroll-/Sicherheitsraum
• Der Systemstatus wird optisch durch LEDs für Betrieb, Störung und Alarm angezeigt.
• Gehäuseabmessungen: 120 x 200 x 57 mm

6. Vorstand der Gebäudedirektion

• Diese Platine wird im Master-Gerät geliefert.
• Er hat drei potentialfreie Kontakte (≤230V).
• Benutzer können die Informationen für Betrieb, Störung und Alarm an das vorhandene Gebäudemanagementsystem (GLT) senden. Von hier aus kann das BMS alle Dinge im Gebäude steuern.

Technische Beschreibung

Die Secty Electronics GmbH hat dieses Gerät für den Einsatz von Erdbebenwarnungen entwickelt. Der Secty LifePatron überwacht die Bodenbewegung in drei Raumrichtungen und bewertet die Schwingungsstärke im Hinblick auf das mögliche Eintreffen seismischer Wellen, die von großen Erdbeben herrühren. Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ hat dieses Produkt auf seine Sensitivität getestet.

Sensor Technology

Die im Secty LifePatron verwendeten elektronischen Komponenten und die damit verbundene Messgenauigkeit wurden durch Vergleichsmessungen überprüft. Die verwendeten Komponenten erfordern, dass die Endgeräte folgende Eigenschaften erfüllen:

1. Sensor: Triaxial (X-, Y- und Z-Achse)
2. Betriebsbereich: DC – 40 Hz
3. Empfindlichkeit: 1 V/g ± 4%
4. Nichtlinearität: <2.5 %
5. Querempfindlichkeit: <3%
6. Rauschen: ~ 0.01 mps²
7. Prüftemperatur: -18°C bis 51.5°C

Testen des Alarms durch Überschreiten von Schwellenwerten

Das Messsystem soll als Warnsystem im Erdbebenfall eingesetzt werden. Es sollte keine Fehlalarme auslösen. Dies wird durch folgende Maßnahmen sichergestellt:

• Beschränkung der analysierten Signale auf das Frequenzband
• Der implantierte Analysealgorithmus ist für die Erkennung der P-Welle ausgelegt.
• Die untere Umschaltung für das Überwachungssystem beträgt 0.3 mps².
• Redundante Erdbebennetzüberwachung – ein Master, 15 Slaves (je nach Projekt)
• Anpassung für acht verschiedene Schwellenwerte

Erdbebenerfahrungen in verschiedenen Ländern mit Alarmsystemen

• Chile: Eine deutsche Schule in Chile erhielt 30 Sekunden vor dem Eintreffen der P-Welle und eine Minute vor dem Eintreffen der S1-Welle einen Alarm.

• Haiti: Nach dem Erdbeben vom 29. Januar 2010 wurde ein Warnsystem installiert. Am 23. Februar 2010 warnte das System ein Nachbeben der Stärke 4.7 und warnte etwa 5,000 Menschen.

• Pakistan: Im Januar 2009 wurden vier Systeme installiert. Am 5.4. Februar 20 ereignete sich ein großes Erdbeben der Stärke 2009, und die Systeme gaben Alarm, bevor die zerstörerische S-Welle die Menschen erreichte.

• El Salvador: In einer deutschen Schule in El Salvador gab das System am 4. April 2008 einen Erdbebenalarm. Das Epizentrum des Erdbebens der Stärke 6.1 lag in Guatemala, etwa 150 km von der Schule entfernt.

Fazit

Es ist wichtig, dass Menschen vor zerstörerischen S-Wellen gewarnt werden. Infolgedessen waren sich viele Betroffene einig, dass es ihnen geholfen hätte, vor ihrem Erdbeben ein LifePatron-Warnsystem zu haben, selbst wenn es nur wenige Sekunden warnen würde.

Jürgen Prybylak ist Elektroniker bei Secty Electronics. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des GFZ-Potsdam arbeitete er sechs Jahre am LifePatron-Projekt.