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Einsturz und Dolinen
Grundlagen
Einsturz- und Absenkungsphänomene treten auf, wenn Kalk-, Gips- oder Salzgestein durch zirkulierendes Wasser angegriffen und stellenweise aufgelöst oder ausgeschwemmt wird. Die so entstandenen Hohlräume können einstürzen und an der Geländeoberfläche zum allmählichen Einsinken oder zum plötzlichen Einsturz führen. Am häufigsten betroffen sind die Karstgebiete im Jura, in den Voralpen und in Teilen der Alpen (z.B. Kalkhochalpen im nördlichen Wallis) sowie die Dolomite und Kalke auf der Alpensüdseite. Nebst natürlichen Ursachen wie starker Regen oder einer intensiven Schneeschmelze können auch Bautätigkeit (Vibration, Auflast) und Besiedelung (Verluste bei Trink- und Abwasserleitungen oder Erdwärmesonden) die Hohlraumbildung fördern oder einen Einsturz auslösen.
Empfohlenes Schutzziel: Das Gebäude bleibt bis zum 300-jährlichen Ereignis intakt und schützt die sich darin befindenden Personen.
Fachbegriffe
Karst: Durch unterirdisch zirkulierendes Wasser ausgelaugte, an der Oberfläche oft kahle Landschaften aus Kalkgestein. Charakteristisch sind in Reihen angeordnete Dolinentrichter, Karrenfelder sowie generell Trockentäler ohne oberflächliches Gewässernetz.
Dolinen (auch Erdfall/Einbruchsenke genannt) sind meist trichterförmigen Vertiefungen der Bodenoberfläche, die durch das Einbrechen eines Hohlraumes im Untergrund entstehen. Dolinen treten ausschliesslich in Karstgebieten auf.
Absenkung: Dieser vielfältig eingesetzte Begriff wird im Zusammenhang mit Dolinen klar von Bodenabsenkungen abgegrenzt, die sich beispielsweise durch schlechten Baugrund ergeben könnten. Gemeint ist ein langsames Einsinken oder Nachbrechen der oberen Bodenschichten als direkte oder indirekte Folge von im Untergrund entstandenen Hohlräumen.
Subrosion: Chemische Verwitterung und Zersetzung von leicht löslichem Gestein durch die Einwirkung von Wasser. Zu diesen lösungsanfälligen Gesteinen gehören beispielsweise Kalk, Mergel, Anhydrit, Dolomit, Gips, Salz oder Rauwacke.
Lösungsgeschwindigkeit: Die lösbare Gesteinsmasse pro Liter zirkulierender Flüssigkeit. Typische Werte sind 0.013 g/l für Kalkstein, 2.04 g/l für Gips und 356 g/l für Anhydrit. Speziell in Salz- und Gipsgesteinen kann die Hohlraumbildung bei entsprechender Wasserverfügbarkeit innert kurzer Zeit sehr schnell voranschreiten.
Lösungsdoline: Die zerklüftete Kalksteinoberfläche nimmt Regenwasser auf und leitet es über bevorzugte Versickerungsstellen und Spalten in die Tiefe. Dadurch erweitern sich Risse und Hohlräume von der Oberfläche her in die Tiefe. In der Folge senkt sich die Bodenoberfläche allmählich weiter ab und hinterlässt eine trichterförmige Doline. Schwinde: Spezialfall einer Lösungsdoline, in der ein Bach verschwindet.
Suffosionsdoline: Wenn Kalkstein mit lockerer Erde bedeckt ist, bilden sich durch Lösungsprozesse Hohlräume im obersten Bereich der Gesteinsschicht. Gibt die Bodendecke schrittweise nach, entsteht eine charakteristische, sich zunehmend vergrössernde Vertiefung.
Einsturzdoline: Durch unterirdisches Auswaschen lösungsanfälligen Gesteins vermindert sich die Tragfähigkeit des Untergrunds. In der Folge kommt es zu einem gegebenenfalls sehr plötzlichen Einsturz (Erdfall) der Bodenoberfläche.
Dolinen kommen in den unterschiedlichsten Grössen und Ausprägungen vor und entwickeln sich im Laufe der Zeit stetig weiter. Oft liegen mehrere Dolinen nahe beieinander oder sind wie Kettenglieder aneinander gereiht, entlang der unterirdischen Wasserflüsse oder an Übergangszonen und Brüchen im Gestein. Dies lässt sich gut im digitalen Geländemodell erkennen, wie der nachfolgende Kartenausschnitt aus dem Gebiet südlich von Le Soliat (VD) zeigt.
Intensitätsparameter zur Bemessung
Stabilitätsprobleme im Zusammenhang mit Dolinen beschränken sich auf Gebiete kalkhaltigen und verkarstungsfähigen Gesteins. Einen Überblick bieten die Karstkarte (Quelle: www.swisskarst.ch, www.isska.ch) sowie geologische Karten. Potentiell gefährdet sind Gebiete, in denen verkarstungsfähige Festgesteine lediglich mit einer geringmächtigen oder instabilen Schicht von quartären Sedimenten bedeckt sind.
Die Gefahrenbeurteilung sollte auch das direkt an Dolinen angrenzende Gebiet umfassen, um präventiv vor Instabilitäten am Rand der Doline zu schützen. In Zonen mit mehreren Dolinen sind diese in der Regel grossräumig als Gefahrenzone zusammengefasst.
Gemäss BAFU 2016 werden die Intensitätsstufen wie folgt abgegrenzt:
- schwache Intensität: Dolinen potenziell vorhanden oder lösungsanfällige Gesteine
- mittlere Intensität: Dolinen vorhanden, nachgewiesen
- starke Intensität: Dolinen und eine Einsturzgefährdung sind nachgewiesen
Verschärfende Faktoren sind Anzeichen von Verkarstung an der Oberfläche, lokale Versickerungszonen sowie generell Störungen und Brüche der Geologie. Drainagen oder eine sehr mächtige und tragfähige Lockermaterialüberdeckung (z.B. Moränenbedeckung) mindern die Einsturzgefahr. Nebst natürlichen Ursachen wie starker Regen oder einer intensiven Schneeschmelze können auch Bautätigkeit (Vibration, Auflast) und Besiedelung (Verluste bei Trink- und Abwasserleitungen oder Erdwärmesonden) einen Einsturz auslösen.
Zur Bemessung von Gebäudeschutzmassnahmen bei Senkungen und Einstürzen sind Angaben zur Einsturztiefe (hs), der Einsturzfläche (AE, AE,g) sowie zum maximalen Durchmesser (Dmax) erforderlich. Bei verfüllten Dolinen muss das Füllmaterial (Lockergesteine, Lehm, Ton etc.) bekannt sein.
In der Regel reichen die Hinweise in den Intensitäts- und Gefahrenkarten nicht aus, um die Gefährdung durch Dolinen an einem bestimmten Standort mit Sicherheit zu bestimmen. Hierzu muss eine Fachperson (Geologe oder Geotechniker) ein spezifisches Gutachten erstellen, das die Bodenbeschaffenheit und möglichen Ursachen einer Absenkung oder eines Einsturzes genau analysiert. Wichtig ist, dass nicht nur die Stabilität des unmittelbaren Baugrunds sondern auch die darunterliegende Geologie beurteilt wird.
Ausgangsgrössen
Bezeichnungen
|hs [mm]:||Einsturz- resp. Absenktiefe der Terrainoberfläche|
|he [m]:||Einbindetiefe des Gebäudes|
|vv [mm/Jahr]:||Absenkgeschwindigkeit bei permanenten Phänomenen|
|AE [m2]:||Fläche des Einsturz-/Absenktrichters|
|AE,g [m2]:||Eingestürtzte Fläche innterhalb der Gebäudegrundfläche|
|Ag [m2]:||Gebäudegrundfläche|
|Dmax [m]:||maximaler Durchmesser|
Gefährdungsbilder
Gefährdungsbild 1: Kleinflächige Einsenkung, lokaler Einsturz
Von der Einsenkung bzw. vom Einsturz ist lediglich ein geringer Teil der Gebäudegrundfläche betroffen. Je nach Steifigkeit der Gebäudestruktur und der Art der Fundation ist mit geringen Setzungen des betroffenen Gebäudeteils zu rechnen. In der Regel ist die Tragsicherheit lokal gefährdet, die Gesamtstabilität bleibt jedoch gewährleistet.
Gefährdungsbild 2: Grossflächige Einsenkung, grossräumiger Einsturz
Von der Einsenkung bzw. vom Einsturz betroffen ist ein wesentlicher Teil der Gebäudegrundfläche, weshalb die Gesamtstabilität des Gebäudes nicht mehr gewährleistet ist. Je nach Fundationsart und statischem Konzept wird das Gebäude kippen oder zerreissen. Einsturzgefahr heisst immer auch Lebensgefahr für Personen.
Einwirkungen
Die Einwirkungen durch Senkungen und Einstürze auf das Bauwerk sind Erddrücke, Wasserdrücke und Verformungen. Der Informationsgehalt in Gefahren- und Intensitätskarten reicht in der Regel nicht aus, um Gebäudeschutzmassnahmen zu bemessen. Eine fachkundige, dem Bauwerk angemessene Baugrunderkundung und geotechnische Beurteilung inklusive der lokalen Geologie sind unerlässliche Grundlagen. Einwirkungen infolge von Einsenkungen und Einsturz können nicht direkt mit Normwerten angegeben werden, sondern sind in Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse nach den Regeln des Grundbaus zu bestimmen.
Dem Geotechnikfachmann stehen drei Ansätze zur Ermittlung der Einwirkungen zur Verfügung: Mittels verschiedener Feldanalysen lassen sich die Position und Ausdehnung von Hohlräumen, die Tiefe bereits ausgebildeter Gleitflächen, die Lagerungsdichte und die Grund- bzw. Hangwasserverhältnisse sowie die Geschwindigkeit von Deformationen bestimmen. Insbesondere geophysikalische Untersuchungen eignen sich um zerstörungsfrei ein zwei- bis dreidimensionales Bild des Felsverlaufs und der lokalen Wasserflüsse zu eruieren. Mit Hilfe von Laboruntersuchungen an entnommenen Proben aus Lockergestein oder Fels kann die Dichte, der Winkel der Scherfestigkeit und die Kohäsion analysiert werden. Diese Grundlagen sowie Angaben bezüglich der örtlichen Topographie erlauben es, die Einwirkungen mit Modellrechnungen zu ermitteln. Anhand dieser Modelle kann zudem die Wirksamkeit der in Frage kommenden Objektschutzmassnahmen geprüft werden.
Schadenarten/-ursachen
Differenzielle Bewegungen und Setzungen des Untergrundes können die Stabilität von Gebäuden auch dann substantiell beeinträchtigen, wenn sie langsam und kontinuierlich erfolgen. Häufige Schadenbilder sind ein ungleichmässiges Absinken oder Verkippen einzelner Gebäudeteile sowie die Bildung von Rissen in Wänden und Decken. Türen und Fenster werden schnell unbenutzbar und es kann zu Leitungsbrüchen und zu Schäden an Zufahrtswegen kommen. Je nach Schadengrad ist zusätzlich zur Gebrauchstauglichkeit auch die Tragfähigkeit des Gebäudes in Frage gestellt, wodurch auch Personen stark gefährdet sind. Reparaturen lassen meist sich nur mit grossem Aufwand realisieren und sind ohne Stabilisierung des Absinkprozesses nur kurzzeitig wirksam.
Im Extremfall stürzen oder sacken das ganze Gebäude oder einzelne Teile davon plötzlich ein. In dieser Situation sind Menschen und Tiere im und um das Gebäude akut gefährdet. Oft sind die strukturellen Schäden und die verbleibende Einsturzgefahr so gross, dass weder eine Reparatur noch der Wiederaufbau am gleichen Ort sich nicht mit verhältnismässigen Aufwand bewerkstelligen lassen. Die präventive Vermeidung dieser Situation sowie eine frühzeitige Evakuierung sind essentiell.
Schutzmassnahmen
Der wichtigste Beitrag zur Risikoreduktion ist die Wahl eines möglichst sicheren Gebäudestandorts, denn beim Bauen auf einer sich vertiefenden oder einer verfüllten Doline ist mit einer zunehmenden Bodeninstabilität zu rechnen. Konsultieren Sie die Karstkarte oder eine geologische Karte und erkundigen Sie sich, ob in der näheren Umgebung Höhlen oder Dolinen bekannt sind. Ziehen Sie in potentiell gefährdeten Gebieten stets einen Geologen oder Geotechniker bei, um das Ausmass des Absinkprozesses und dessen Ursache bestmöglich zu kennen. Wählen Sie eine angepasste, verstärkte Konstruktionsweise und Vermindern Sie allfällige zusätzliche Störungen der Bodenstabilität während dem Bau und Betrieb
Vorschläge für Schutzmassnahmen zu einzelnen Bauteilen sowie zum konzeptionellen Vorgehen: Gebäudeschutz
Normen und Richtlinien
Allgemeine Bau- und Tragwerksnormen
Allgemein
SIA 480 (2016): Wirtschaftlichkeitsrechnung für Investitionen im Hochbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich.
Tragwerksnormen
SIA 260 (2013): Grundlagen der Projektierung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 261 (2014): Einwirkungen auf Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 261/1 (2003): Einwirkungen auf Tragwerke – Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein. Zürich.
SIA 267 (2013): Geotechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 267/1 (2013): Geotechnik - Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 269 (2011): Grundlagen der Erhaltung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 269/1 (2011): Erhaltung von Tragwerken - Einwirkungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich
SIA 465 (1998): Sicherheit von Bauten und Anlagen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
SIA 469 (1997): Erhaltung von Bauwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.
Technische Richtlinien (Auswahl)
Allgemein
SVGW (2010): Richtlinie für Gasleitungen. Richtlinie G2. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.
SVGW (2013): Richtlinie für Wasserverteilung. Richtlinie W4 - Planung, Projektierung sowie Bau, Betrieb und Unterhalt von Trinkwasserversorgungssystemen ausserhalb von Gebäuden. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.
Entwässerung
Suissetec/VSA (2012): SN 592000:2012: Anlagen für die Liegenschaftsentwässerung – Planung und Ausführung.
VSA (1996): Planung der Liegenschaftsentwässerung. Informationsforum der VSA Fachgruppe „Liegenschaftsentwässerung“, Olten.
VSA (2002): Regenwasserentsorgung: Richtlinie zur Versickerung, Retention und Ableitung von Niederschlagswasser in Siedlungsgebieten. Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute, Zürich. (Update 2008 zur Richtlinie)
Literatur
Allgemein
ASTRA (2012): Naturgefahren auf den Nationalstrassen: Risikokonzept. Methodik für eine risikobasierte Beurteilung, Prävention und Bewältigung von gravitativen Naturgefahren auf Nationalstrassen, Bundesamt für Strassen, Bern.
BAFU [Hrsg.] ( 2016): Schutz vor Massenbewegungsgefahren. Vollzugshilfe für das Gefahrenmanagement von Rutschungen, Steinschlag und Hangmuren. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Vollzug Nr. 1608: 98 S.
Egli, Th. (2005): Wegleitung Objektschutz gegen gravitative Naturgefahren. Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, Bern.
PLANAT (2009): Risikokonzept für Naturgefahren. Nationale Plattform Naturgefahren, Bern.
Präventionsstiftung der Kantonalen Gebäudeversicherer (2014): Prevent-Building – eine Methodik und ein Werkzeug zur Beurteilung der Wirksamkeit und Zumutbarkeit von Objektschutzmassnahmen an Gebäuden gegen gravitative und meteorologische Naturgefahren. Bericht Phase 1 mit Anpassungen aus Phase 2. Arbeitsgemeinschaft Prevent-Building: WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Egli Engineering AG, Geotest AG, B,S,S,. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)
Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.
Dolinen
Arbeitsgruppe Geologie und Naturgefahren (1998): Geologische Naturgefahren in der Schweiz. Separatdruck aus: Bulletin für angewandte Geologie 3/1, ISSN 1420-6846.
Lang, H.-J. et al. (2010): Bodenmechanik und Grundbau. Das Verhalten von Böden und Fels und die wichtigsten grundbaulichen Konzepte, 9. bearbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin.
SISKA (2017): Die Dolinen - Entstehungsprozesse, Nützlichkeit und Schutz, Praktische Ratschläge. Schweizerisches Institut für Speläologie und Karstforschung, La Chaux-de-Fonds.
Smoltczyk, U. [Hrsg.] (2009): Grundbau Taschenbuch, 7. Auflage,. Teil 1, Geotechnische Grundlagen, Ernst und Sohn, Berlin.
Smoltczyk, U. [Hrsg.] (2009): Grundbau Taschenbuch, 7. Auflage, Teil 3, Gründungen und geotechnische Bauwerke, Ernst und Sohn, Berlin.