Testgebäude Erdbebensicherheit

Die Berner Fachhochschule (BFH) führte 2019 verschiedene Tests an einem eigens dafür errichteten Holzbau durch. (Foto: Berner Fachhochschule)

Stehen bleiben!

Schwere Erdbeben treten in der Schweiz nur selten auf. Aber eben nicht nie – darum ist erdbebensicheres Bauen ein zwar oft unterschätztes, jedoch wichtiges Thema. Bei 90 Prozent der Bauwerke ist die Erdbebensicherheit indessen unbekannt.

Die Schweiz ist ein Erdbebenland. Bis Ende März registrierte der Schweizerische Erdbebendienst (SED) an der ETH Zürich 288 Beben. Pro Jahr ereignen sich durchschnittlich 1000 bis 1500 Beben. Nur 10 bis 20 davon werden von der Bevölkerung auch wahrgenommen.

«In der Regel ist ein Beben ab einer Magnitude von 2,5 spürbar», sagt Michèle Marti, Kommunikationsleiterin des SED. Doch dieser Wert ist nicht in Stein gemeisselt. «Auch kleinere Beben können spürbar sein, wenn sie sich zum Beispiel direkt unter einer dicht besiedelten Region ereignen», sagt Michèle Marti. «Andererseits können stärkere Beben unbemerkt bleiben, wenn sie sich tief im Boden oder in einer abgelegenen Region ereignen.»

Wie häufig kommen starke Erdbeben in der Schweiz vor?

Alle 50 bis 150 Jahre erwartet die Experten des SED ein Erdbeben mit einer Magnitude von etwa 6 oder mehr. Das letzte Beben dieser Grössenordnung ereignete sich 1946 bei Sierre (VS) mit einer Magnitude von 5,8. Bekannt ist auch das Erdbeben bei Basel im Jahr 1356. Mit einer Magnitude von 6,6 ist es das stärkste dokumentierte Erdbeben der Schweizer Geschichte.

«Die Regionen Basel und Wallis gehören zu den erdbebengefährdetsten Gebieten der Schweiz», weiss Michèle Marti. «Dazu kommen der Kanton Graubünden, das St.  Galler Rheintal und die Zentralschweiz. Gebiete ohne Erdbebengefährdung gibt es in der Schweiz nicht.» Ab einer Magnitude von 5 können an Gebäuden leichte bis mässige Schäden auftreten. Bei einer Magnitude von 6 können an nicht erdbebensicheren Gebäuden schwere Schäden entstehen, es kann sogar Einsturzgefahr bestehen.

Der SED überwacht mit einem Netzwerk von über 200 Seismometern in Echtzeit alle seismischen Aktivitäten in der Schweiz und im nahen Ausland. Kann man auf diese Weise vielleicht sogar das nächste grosse Beben voraussagen? «Leider ist das bisher nicht möglich», sagt Michèle Marti. «Wir können aufgrund von Daten und Erfahrungen aus der Vergangenheit nur sagen, dass auf ein starkes Erdbeben jeweils zahlreiche, teils starke Nachbeben folgen und es in  seltenen Fällen zu weiteren schweren Erdbeben kommt.»

Wie erdbebensicher sind Schweizer Gebäude?

Michèle Marti schätzt die Erdbebengefährdung für die Schweiz im europäischen Vergleich als mittelhoch ein. Das Thema Erdbebensicherheit beim Bauen zu vernachlässigen, könnte deshalb fatale Folgen haben. Dennoch ist die Gebäudesicherheit des Schweizer Gebäudeparks eine grosse Unbekannte. Bei rund 90 Prozent der Bauwerke ist die Erdbebensicherheit unbekannt. Wahrscheinlich ist sie in vielen Fällen ungenügend. «Das liegt einerseits daran, dass ein Grossteil des Gebäudeparks für heutige Verhältnisse schlecht dokumentiert ist», sagt Thomas Ammann, Ressortleiter Energie- und Bautechnik des Hauseigentümerverbands Schweiz (HEV).

«Andererseits gibt es in den Schweizer Baunormen erst seit 1970 überhaupt Erdbebenbestimmungen.» Diese waren in der damals eingeführten Norm SIA 160 jedoch nur rudimentär. Deutlich umfangreicher und auf höhere Erdbebeneinwirkungen ausgerichtet war deren Überarbeitung von 1989. Die Norm SIA 261 von 2003 passte schliesslich die Regelungen für Neubauten dem internationalen Stand der Technik und Erkenntnisse an. Die Norm SIA 269/8 aus dem Jahr 2017 widmet sich der Erdbebensicherheit bestehender Gebäude.

Wie sehen die Normen aus für Erdbebensicherheit?

Dennoch wird das Thema nicht in jedem Kanton gleich wichtig behandelt: Nur die Kantone Aargau, Basel-Stadt, Bern, Freiburg, Jura, Luzern, Nidwalden und Wallis machen für Neubauten erdbebenspezifische Auflagen, die im Rahmen der Baubewilligung erfüllt sein müssen. Architekten und Planer müssen sich aber auch in den anderen Kantonen zumindest an die SIA-Normen halten; schliesslich werden die allermeisten Verträge für Neubauten auf Basis der SIA-Normen abgeschlossen. Diese nicht zu beachten, ist nicht ratsam, denn auch bei Erdbeben gilt bei mangel- oder fehlerhaften Bauten die Werkeigentümerhaftung.

Doch wie ist es bei bestehenden Bauten? «Erdbebenertüchtigungen sollten sinnvollerweise dann zum Thema werden, wenn sowieso grössere Sanierungsarbeiten anstehen», sagt Thomas Ammann. Für Eigentümer umfangreicher Baubestände hat das Bundesamt für Umwelt (Bafu) unlängst gar einen Ratgeber mit einer mehrstufigen, selektiven Erfassung des Erdbebenrisikos entwickelt, um die am dringendsten ertüchtigungsbedürftigen Bauten zu identifizieren. Denn das Bafu hält fest: «Bereits die Überprüfung der Erdbebensicherheit aller Gebäude in einer kurzen Frist übersteigt meist die Kapazitäten und Möglichkeiten dieser Eigentümer.» Das Tool sei aber nur effizient, wenn es zusätzlich zu Ertüchtigungen bei turnusmässigen Sanierungen angewendet wird.

Worum geht es beim Erdbebenschutz?

Beim erdbebensicheren Bauen geht es nicht darum, Schäden an Gebäuden möglichst zu vermeiden. «Risse und kaputte Fenster können auch bei ertüchtigten Gebäuden schon bei kleineren Beben entstehen», sagt Thomas Amman. «Wichtiger ist – und darauf zielen die Baunormen ab –, dass ein Gebäude stehen bleibt und somit möglichst keine Menschenleben durch einen Einsturz gefährdet werden.»

Zudem müssen Bauwerke mit lebenswichtiger Infrastrukturfunktion, wie zum Beispiel Spitäler, so erdbebensicher sein, dass sie im Ereignisfall funktionstüchtig bleiben. Dabei sind die Normen auf Erdbeben der Magnitude 5,5 bis 6 ausgelegt. Der Erfüllungsfaktor αeff beschreibt, in welchem Mass das Tragwerk den rechnerischen Anforderungen an die Erdbebensicherheit entspricht. Neubauten müssen einen Wert von 1 erreichen, bestehende Gebäude einen Wert von mindestens 0,25. Lebenswichtige Infrastrukturbauten benötigen einen Mindestwert von 0,4.

Wie werden Neubauten erdbebensicher gemacht?

«Bei Neubauten ist es in der Regel kein Problem, die erforderlichen Werte zu erreichen», sagt Fabienne Felder. «Wichtig ist jedoch, dass der Architekt bereits im Vorprojekt durchlaufende Wandscheiben vorsieht.» Die Bauingenieurin ist Expertin für Erdbebensicherheit beim Männedorfer Bauingenieurbüro Marti + Dietschweiler. Denn aufwendige Abfederungskonstruktionen, wie sie zum Beispiel in Japan zur Anwendung kommen, sind in der Schweiz nicht nötig. «Die Planzeichnungen der Architekten verraten schnell, ob das Tragwerk die horizontalen Bewegungen, die bei Erdbeben auf das Gebäude einwirken, abtragen kann», erklärt Felder.

Ideal sind Wandscheiben, die vom untersten bis zum obersten Geschoss durchlaufen, und Fundationen, welche die entstehenden Kräfte in den Boden ableiten. Meist ergeben die Berechnungen, dass mit diesen Aussteifungsbauteilen die Anforderungen erfüllt werden können. Ist dies nicht der Fall, wird mit dem Architekten besprochen, wie aussteifende Elemente im Zug der Projektausarbeitung so verschoben werden können, dass die Erdbebensicherheit gewährleistet ist. Entsprechend überschaubar ist der finanzielle Zusatzaufwand: Bei einem Neubau liegen die Kosten für Massnahmen zur Erdbebensicherheit bei maximal einem Prozent der Baukosten.
In der Regel sind sie kaum bezifferbar.

Was gibt es bei der nachträglichen Ertüchtigung zu beachten?

Anspruchsvoller gestaltet sich die Ertüchtigung bestehender Bauten. Felder: «Ist keine ausreichende Dokumentation vorhanden, wird der Architekt in einem ersten Schritt den Bau digitalisieren. Die Materialisierung wird aufgrund baulicher Gepflogenheiten zum Zeitpunkt der Entstehung angenommen. Punktuell werden Sondagen vorgenommen.»

Anschliessend führt die Ingenieurin dynamische Berechnungen mithilfe von Computersimulationen durch. Wird nach einer Überprüfung des Gebäudes nicht der nötige αeff-Wert erreicht, müssen wirtschaftlich verhältnismässige Ertüchtigungen vorgenommen werden. «Wobei bei jedem Bau individuell ermittelt werden muss, welche Massnahmen überhaupt möglich sind», sagt die Expertin. «Ist absehbar, dass ein Gebäude sowieso in naher Zukunft abgerissen und durch einen Neubau ersetzt wird, sind Ertüchtigungsmassnahmen kaum noch verhältnismässig.»

Ob und welche Massnahmen umgesetzt werden, ist Sache des Werkeigentümers. «Oft werden bloss einzelne besonders gefährdete Elemente nachträglich ertüchtigt», sagt die Ingenieurin, «denn solche Massnahmen sind fast immer kostspielig.» Das Bafu beziffert die Kosten für nachträgliche Ertüchtigungen im Schnitt auf
8 Prozent des Gebäudewerts; sie können aber bis zu 30 Prozent ausmachen.

Wie erdbebensicher sind Holzbauten?

Immer häufiger werden heutzutage Neubauten aus Holz errichtet – ein grundlegender Unterschied, was die Erdbebensicherheit angeht. «Holzbauten sind leichter und weniger steif als Massivbauten», erklärt Martin Geiser, Professor für Erdbebeningenieurwesen an der Berner Fachhochschule (BFH). Bislang können die dynamischen Eigenschaften von Holzrahmenbauten, die für Fragen der Erdbebensicherheit eine grosse Rolle spielen, nur ungenügend bestimmt werden.

Ingenieure stützen sich bei ihren Berechnungen auf vereinfachte Modelle. Deswegen führte die BFH im vergangenen Jahr zusammen mit Partnern aus der Holzbranche Messungen an einem Holzbau durch. Dazu wurde ein vierstöckiges Holzgebäude etappenweise errichtet. Nach jedem Stockwerk wurden dynamische Tests durchgeführt, unter anderem Ausschwingversuche. Zum Abschluss wurde das Gebäude zu Boden gezogen, um die Bruchlast und die Versagensart des Tragwerks zu bestimmen. Die detaillierten Ergebnisse werden im Rahmen einer Masterthesis – verfasst von Urs Oberbach – analysiert und demnächst veröffentlicht.

Ergebnisse der BFH-Studie

«Wir haben herausgefunden, dass Holzrahmenbauten in Wirklichkeit steifer sind, als es gewisse vereinfachte numerische Modelle vermuten liessen», sagt Martin Geiser. «Auch der Tragwiderstand ist deutlich höher als der Bemessungswert der aktuellen Holzbaunorm.»

Eine Überraschung seien die Resultate bezüglich der Dämpfung gewesen. Es zeigte sich, dass die Dämpfung bei hohen Amplituden, wie sie bei Erdbeben zu erwarten sind, deutlich höher liegt als die pauschal angenommenen 5 Prozent – ein positiver Einfluss auf das Erdbebenverhalten. «Alles in allem wurde deutlich, dass richtig konzipierte, berechnete und gebaute Holzhäuser erdbebensicher sind», so Geiser.

Dies gelte auch langfristig, da bei richtig realisierten Gebäuden das Holz über die Jahre trocken und gesund bleibt. Eine Abnahme des Erdbebensicherheitsgrads sei deshalb nicht zu erwarten. «Letztlich», so Geiser, «gilt aber: Wichtiger als der Baustoff ist das, was daraus gemacht wird.»