Inleiding tot de EF-schaal


Inleiding tot de EF-schaal

Elk jaar zijn er in de Benelux wel één of meerdere gevallen van windschade te melden. Veelal gaan die gepaard met onweersbuien of op zijn minst convectieve gebeurtenissen maar dit hoeft niet altijd het geval te zijn, denk maar aan de venijnige Atlantische depressies die al dan niet ten gevolge van “rapid cyclogenesis” vb. boven het Noordzee-gebied aan exponentieel tempo uitdiepen en aansterken.

De windschade die door om het even welke gebeurtenis ook veroorzaakt wordt kan geclassificeerd worden in een schaal die de graad van windschade representeert. De meest bekende is de F-schaal of de “Fujita-schaal” en gaat van F0 – F5. De F-schaal is dan later geëvolueerd tot de EF-schaal waarbij de range nog steeds bewaard is gebleven maar krijg als label EF0 – EF5, waarbij de EF staat voor “Enhanced Fujita”. Een minder bekende, maar gangbare schaal in Europa is de T-schaal of de “Torro-schaal” en gaat van T0 – T11.

1 schadefoto

Dit artikel is volledig gewijd aan de F-schaal en meerbepaald de transitie naar de EF-schaal om de Benelux meteo en chase-community te illustreren hoe de officiële instanties hun in-situ schattingen doen van windschade die zij tijdens hun schade-onderzoeken kunnen uitvoeren.

 

Eén van de doelen van de EF-schaal was dan ook om meer schade-indicatoren (DI’s, Damage Indicators) te voorzien met een reeks ondersteunende afbeeldingen om een betere referentie te kunnen bieden, zodoende een betere rating te bekomen.

2 vegeta

Meer en meer onderzoeken omtrent de F-schaal toonden ook aan dat er zelfs lagere windsnelheden aan de basis kunnen liggen van F3 – F5 type schade dan gedocumenteerd was in de F-schaal. Het was dan ook nodig om een betere correlatie te voorzien tussen de graad van schade (DoD, Degree of Damage) en de windsnelheid die rekening hield met de variabiliteit in de kwaliteit en sterkte van het gebouw of object. Fujita realiseerde zich dit in zijn memoires “Mystery of severe storms” dat het nodig wa s om descriptoren te voorzien, zodoende een betere rating in windschade toe te kennen, rekening houdend met de manier waarop een gebouw werd gebouwd.

Terwijl de schattingen in windsnelheid niet werden aangepast heeft Fujita een aangepaste schaal ontworpen waarbij hij een “kleine f” gebruikte om het type gebouw aan te duiden die dan op zijn beurt gebruikt werd om de “grote F” te berekenen door de graad van windschade die aan de “kleine f” te zien was.

Hieruit vloeide de EF-schaal die een extensie van dat idee is maar waarin veel meer gebouwtypes werden geassimileerd waarbij de vermelde “kleine f” de DI is, of “Damage indicator”, en de “grote F” de DoD representeert, of “Degree of Damage”.

3 commité

Bovenvermeld comité werd samengesteld om een brainstorm sessie te ondergaan om die aangepaste F-schaal te ontwerpen op een locatie in Grapevine, Texas in maart 2001. Afgaand op de bovenstaande afbeelding is te zien dat de 23 personen die daar aan deelnamen afkomstig waren van verschillende vakgebieden met elk verschillende achtergronden, gaande van universiteiten tot onderzoeksbureaus tot overheidsinstanties.

Het doel van dit forum was om een representatieve groep van F-schaal gebruikers bijeen te brengen, de grootste issues te benaderen en aanbevelingen te doen hoe zulke nieuwe EF-schaal te ontwerpen door een strategie te leggen om de gulden middenweg te voorzien tussen de verschillende opinies.

Na anderhalve dag werd die “middle ground” dan bereikt en de doelstellingen behaald. Het NWS personeel wilde meer schade-beschrijvingen en foto’s. Alle deelnemers wensten de F-schaal te herdefiniëren en die te gebruiken als een soort “glijdende” schaal om rekening te houden met structurele variabiliteit. De wens was ingevuld om de historische database te blijven gebruiken als referenties en de nood om in-situ input te blijven hanteren om de schaal continu van updates te voorzien werd erkend.

4 tornado

Ook was het evident dat een vroegere F0 nog steeds dezelfde rating behield, maar een EF-0 werd genoemd. Hetzelfde voor de F1 naar EF1 conversie, en zo verder. Dit wegens het behoud van de bestaande gigantische databank aan “damage-reports” en om een continuïteit te handhaven, zodoende geen hiaat te krijgen tussen voorgaande onderzoeken & resultaten. De klimatologie wordt hierdoor overeind gehouden.

Het systeem van de DoD’s (Degrees of Damage) werd ingehuldigd om te koppelen aan een DI (Damage indicator) om verschillende schade-indicatoren van hun eigen schadegraad te kunnen voorzien. Het klinkt abstract maar het is best “straight-forward”. Een DI is bijvoorbeeld een standaard gezinshuis terwijl een winkelcomplex een andere DI voorstelt. Een voorbeeld van een DoD aan het standaard gezinshuis (DI) is dan “grote porties van het dak verwijderd, terwijl de meeste buienmuren staand blijven”. Dit terwijl de standaard F-schaal geen of toch amper onderscheid voorzag tussen de verschillende gebouwtypes en alles over éénzelfde kam scheerde.

Het comité voorzag in totaal 28 verschillende DI’s, waarbij elke DI dus zijn eigen DoD kan toegekend krijgen. De DI’s & DoD’s zijn variabel. In die zin dat er nieuwe DI’s kunnen toegekend worden indien een beter onderscheid gewenst zou zijn terwijl nieuwe DI’s kunnen worden ontworpen in de toekomst aangezien de technologie rond het bouwen van constructies niet stil staat. Ook voorziet de nieuwe EF-schaal een variabiliteit in de DoD’s waarbij daar ook een mogelijkheid bestaat tot een beter onderscheid van de schadegraad.

5 DIs

Bovenstaande tabel toont de 28 DI’s die door het comité werden opgesteld, die elk kunnen voorzien worden van hun eigen DoD (schadegraad). De DI’s worden onderverdeeld in categorieën om zowel het type gebouw te onderscheiden alsook een onderscheid te voorzien in het aantal personen het eventueel kan herbergen, inclusief het type personen (zieken, werknemers, kinderen, overheidspersoneel).

Een extra onderscheid of het een locatie aanduidt waar werken worden uitgevoerd zoals een fabriek of andere instelling die draait rond cliënteel is een surplus omdat zo ook gemakkelijk statistieken kunnen getrokken worden in de financiële schade een windevent heeft veroorzaakt wegens vb. het stilleggen van een fabriek of schade aan verkoop artikelen. Denk gerust aan een autofabriek waarover een tornado raast en aan alle auto’s die buiten gestockeerd staan schade berokkent.

De basis van de EF-schaal werd hierbij gelegd waarbij er natuurlijk een systeem moet worden ontwikkeld om per DI een DoD toe te kennen waarbij zoals gezegd de DI het object aanduidt waar schade aan te zien is, terwijl de DoD de graad van schade illustreert aan één enkele DI.

Een voorbeeld van een lijst DoD’s betreffende een standaard gezinshuis vind je hieronder, waarbij de schadegraad klimmend is van boven naar onder, vertrekkende van de eerst zichtbare schade (E)F-0 tot de complete vernietiging van de DI, wat overeen stemt met een (E)F- 5.

6 DoDs

Zoals gezegd vinden we de laagste schadegraad bovenaan (DoD 1) die de initiatie van schade aanduidt, terwijl de laatste graad (DoD 10) de complete vernietiging voorstelt. De waardes daartussen illustreren een successief hogere schadegraad, alhoewel DoD 2 & DoD 3 eerder verschillende aspecten aanduiden van schade. Merk in die zin op dat DoD 2 eerder gaat over het dak, terwijl DoD 3 iets zegt over de ramen en deuren, en dus over een ander deel van het huis schade behandelen.

Eénmaal we DoD’s hebben is het dan ook mogelijk om een windsnelheid aan de betreffende DoD te koppelen. Een pienter oog merkt direct op dat er 3 soorten Windsnelheden (WS) voorzien worden die alle 3 anders gelabeld zijn. We zien een “LB”, een “EXP” en een “UB”. Respectievelijk staan deze voor “Lower Bound” (ondergrens), “Expected” waarmee we de verwachte windsnelheden bedoelen bij een normaal gebouwde DI, en “Upper Bound” (bovengrens).

De reden waarom altijd een ondergrens en een bovengrens wordt voorzien is omdat elke DI ook anders gebouwd kan zijn zodat één bepaalde DoD kan veroorzaakt worden door lagere windsnelheden dan de verwachte windsnelheid als de kwaliteit van de schade-indicator (DI) iets lager is. Omgekeerd zien we bij erg stevige gebouwen, maar nog steeds dezelfde DI, dat de windsnelheid om diezelfde DoD te veroorzaken hogen kan liggen, net door die verstevigingen.

Dit zien we mooi geïllustreerd in volgend diagram, waarbij we 3 curves zien een met klimmende DoD naar rechts (X- as) en hogere windsnelheden op de Y-as.

7 dods per di zonder ws

Wanneer we de 3 curves windsnelheden van een standaard huis (DI 2) in deze grafiek zien, bemerken we van links naar rechts de algemene successieve klim in windsnelheden, dit in zowel de curve van de ondergrens, de verwachte en de bovengrens. Kiezen we daarentegen 1 windsnelheid, zien we een behoorlijk grote overlap tussen de windsnelheden en de DoD’s. Ook zien we dat er tussen DoD 3 en 4, alsook tussen DoD 5 en 6 weinig tot geen windsnelheids-klim te bespeuren is, wat impliceert dat DoD 3 en 4 voorkomen bij min of meer dezelfde windsnelheden, evenals de DoD’s 5 en 6. De rest vertoont een consistent klimmende windsnelheid per trap omhoog in de DoD-ladder.

We kunnen hieruit concluderen dat lagere windsnelheden aan de basis kúnnen liggen van hogere DoD’s, maar dat evengoed hogere windsnelheden aan de basis kunnen liggen van markant lage DoD’s. De algemene regel daarentegen blijft dat hoe hoger de windsnelheden zijn, hoe hoger de kans is dat er zich hogere DoD’s voordoen aan éénzelfde DI.

Rest ons nu nog om een windsnelheid toe te kennen aan een bepaalde DoD: een proces wat de meest lastige procedure kende in het opstellen van de EF-schaal.

Er waren in principe 3 mogelijkheden waarmee het comité deze windsnelheden kon toekennen. Eén daarvan was dat het team een gedetailleerd onderzoek deed naar alle DI’s om uit te zoeken hoe die gebouwd zijn, en alle pijn- en stresspunten van een krachten-onderzoek integreerden om uit te rekenen welke windsnelheden nodig waren om bepaalde DoD’s teweeg te kunnen brengen. Deze methode is tijdrovend & kostelijk aangezien het over enorm veel onderzoeken zou gaan. De 2e methode die kon gehanteerd worden was een windtunnel waarin simulaties gemaakt konden worden die uiteindelijk de windsnelheden zou kunnen brengen. Terug is deze methode tijdrovend en kostelijk.

Uiteindelijk werd gekozen voor een 3e methode, namelijk het gebruik van zogenaamde eliciteitstechnieken. Deze werkwijze was als volgt…

8 elicitatietechnieken

Eerst werd door het comité een volledige beschrijving van alle DoD’s per DI gegeven aan een team van experts. Die experts werden dan getraind in eliciteitstechnieken, waarna er per expert een windschatting is gegeven voor elke DoD, per DI. Die resultaten werden dan verzameld door een team van onderzoekers, geleid door Mehta & McDonald. Zijn hebben daar statistieke methodes aan gekoppeld en hun resultaten terug gegeven aan het team van experts, die dan op hun beurt een revisie deden van die resultaten.

Die gaven hun resultaten dan terug aan het onderzoeksteam die daar dan terug de statistiek op hebben toegepast, om die resultaten dan terug naar het team van experts te brengen terwijl die cyclus verder ging tot er geen wijzigingen meer werden aangebracht door zowel het onderzoeksteam (Mehta & McDonald) als de experts die de windschattingen deden. Dat eindresultaat werd dan terug voor het oorspronkelijk comité gebracht ter revisie, waardoor de windsnelheden van alle DoD’s per DI werden ingevuld… zowel de “LB”, de “EXP” als de “UB”.

Het resultaat vind je hieronder opgelijst, waarbij de DoD’s van een standaard familiehuis nu werden aangevuld met de windsnelheden.

9 DoDs met ws

Wanneer we de ingevulde DoD’s van een standaard huis benaderen op vlak van hun windsnelheden, zien we dat de verwachte drempelwaarde om EF0 (DoD 1) schade te vinden zich situeert rond de 100 km/u met een ondergrens van 85km/u en een bovengrens van net geen 130 km/u. Dit, terwijl we een DoD 10 kunnen krijgen bij een windsnelheid van 321 km/u, met als ondergrens 260 km/u en als bovengrens 354 km/u… alhoewel de bovengrens bij DoD 10 eigenlijk blanco kan zijn, want gaan we daarboven vinden we logischerwijs nog steeds een DoD 10: betekenende de complete vernietiging van het huis, waar niets staande blijft en alles van de fundering is geblazen.

We kunnen de tabel op verschillende manieren benaderen met elk hun eigen voordeel. Zien we ergens schade aan een huis, kunnen we op deze manier (volgens de DoD) een windsnelheid toekennen, weliswaar met een onder- en bovengrens, die verantwoordelijk is voor dat type DoD. Zien we dus een huis waarvan een “groot deel van het dak is verwijderd terwijl de meeste muren staand blijven” kunnen we een DoD 6 toekennen wat overeen komt met een windsnelheid tussen 167 km/u en 228 km/u, waarbij de verwachte windsnelheid als het huis voldoet aan de bouwnormen net geen 200 km/u bedraagt (196 km/u).

Omgekeerd ook… Merken we op de doppler radiale snelheden een windsnelheid van net geen 196 km/u, kunnen we anticiperen op een DoD van 6 als dit signaal zich voordoet boven bewoond gebied en is het aannemelijk dat er zich significante schade aan het dak zal gemeld doen met naar alle waarschijnlijkheid gebroken ramen, omgevallen schoorstenen en ingedeukte of uitpuilende garagepoorten.

Passen we de voormelde grafiek aan met de nu ingevulde windsnelheden bekomen we volgend resultaat.

10 dods per di met ws

Met de waarden ingevuld is het ook duidelijk dat DoD 3 en 4 gelijkaardige windsnelheden worden toegekend, net als DoD 5 en 6. De schadelocaties die ze behandelen zijn dan zoals gezegd wel anders. Zij spreken eerder over andere aspecten van schade in plaats van een hogere schadegraad van dezelfde aard. DoD 3 spreekt bij voorbeeld over deuren en ramen terwijl DoD 4 het dak, schoorsteen, garagedeur en/of carport behandelt.

Merk nogmaals op hoeveel overlapping er over de gehele grafiek in het algemeen is, wat de problematiek aanduidt dat zowel constructiekwaliteit alsook blootstelling aan de wind factoren zijn, waardoor een windsnelheid van 250 km/u niet noodzakelijk een DoD 8 hoeft teweeg te brengen als het huis bij voorbeeld “beschermd” staat door andere gebouwen er rond. De blootstelling aan de wind is een factor die beslist niet kan miskend worden.

Als laatste onderdeel in het artikel is het opportuun om een vergelijking te doen tussen de oude F-schaal en de meer recente EF-schaal, zodoende een volledig beeld te krijgen van welke EF-rating kan toegekend worden aan de windsnelheden die bij een bepaalde DoD (per DI) passen. We blijven ons hierbij baseren op één enkele DI, namelijk deze van een standaard gezinswoning: DI2, FR12.

Het is ook onmogelijk om alle DI’s hier op te lijsten onder de vorm van één enkel artikel, aangezien dit artikel ook enkel is bedoeld om een introductie te bieden en geen complete presentatie van alle 28 DI’s en hun afzonderlijke DoD-schema’s.

Belangrijk om weten is dat de EF-schaal werd ontworpen terwijl er een continuïteit moest voorzien worden tussen de eerdere F-schaal en de gewenste EF-variant. Was die continuïteit er niet, zou er een breuk met de klimatologie zijn ontstaan. Een manier hoe dit werd gedaan was één bepaald schadeonderzoek door 2 verschillende teams te laten uitvoeren waarvan 1 team volgens de gekende F-schaal het onderzoek uitvoerde en het ander team volgens de nieuwe EF-schaal.

Deze 2 verschillende resultaten werden dan naast elkaar gelegd en met elkaar gecorreleerd, zodoende de 2 verschillende schalen met elkaar te laten “samenwerken”. Een groot probleem hierin bestond dat hun respectievelijk wind-type iets anders was. De oude F-schaal hanteerde een windsnelheid gemeten over een kwart-mijl wat overeenstemt met een 400m lang, terwijl de EF-schaal een windstoot hanteerde over een tijdsinterval, namelijk 3 seconden.

11 regressieformule vgl f ef

De F-schaal en EF-schaal resultaten naast elkaar tonen een erg goede overeenstemming waarbij deze gelijkenis zich toont over de volledige lijn. De extremen blijven bewaard zoals te zien is op de rode lijn, wat de F en EF-5 waarde aanduidt. De correlatie toont zich overigens ook in de lagere windschalen wat een bewijs levert dat de oude F en de nieuwe EF-schaal wel degelijk met elkaar te correleren zijn.

De regressieformule moest enkel nog toegepast worden om de windsnelheden aan de nieuwe EF-schaal te kunnen hangen. Het resultaat van die regressieformule alsook de vergelijking met de oude F-methode is hieronder te zien waarbij de windsnelheden in km/u zijn ingevuld.

12 vgl tabel f ef windsnelheden

De laatste stap wat gedaan werd om aan de EF-schaal een reeks windsnelheden te koppelen is niets anders dan de windsnelheden van de EF-schaal af te ronden naar iets aannemelijkere ronde waarden. Aangezien de EF-schaal (en trouwens ook de F-schaal) gebaseerd zijn op mijl per uur, worden beide methodes hieronder weergegeven in tabelvorm… zowel de MPH als de KPH.

Aangezien de afronding daarentegen gebaseerd is op mijl per uur, is van die afronding in km/u weinig of zelfs niets te zien. De waarden in km/u verschillen dan ook heel weinig van de tabel die hierboven staat.

13 vgl tabel f mph kph

Merk trouwens ook op dat in beide tabellen terug een onder- en bovengrens is gebruikt om rekening te houden met de kwaliteit van de constructie en de blootstelling aan de wind. Dit is een constante in het uitvoeren van schade-onderzoeken en vormt het grootste obstakel in de toekenning van een windsnelheid en EF-rating.

De methode die gehanteerd wordt in het uitvoeren van schade-onderzoeken is dat de tabellen van de DI’s, hun afzonderlijke DoD’s en hun windsnelheden gekoppeld worden aan de bovenstaande tabel. In die zin dat eerst een DI wordt geïdentificeerd, vb. een standaard gezinshuis. Vervolgens worden alle DoD’s aangeduid en een waarde gegeven. Aan de hand van de tabel van de aanwezige DoD’s per DI kan dan een windsnelheid afgelezen worden. Deze windsnelheid wordt dan vergeleken met bovenstaande tabel, waarna er een rating toegekend wordt.

Met de vermelde afronding van de windsnelheden is dit artikel bij deze ook afgerond aangezien verder gaan een erg, maar dan ook erg huzarenwerk is en dit artikel dan tientallen keer groter wordt aangezien het enige wat nog rest een volledig gedetailleerde bespreking zou kunnen zijn van alle DI’s en hun verschillende DoD’s.

De bedoeling was dan ook om enkel een inleiding te voorzien, zodoende bij de lezers een soort appreciatie te kunnen opwekken voor de complexiteit en het historisch verhaal van de EF-schaal en vooral de manier hoe de EF-schaal in het doen van schade-onderzoeken tot de nieuwe standaard is verheven.