SSI-Bulletin 2/08 - Schweizerische Vereinigung unabhängiger ...

SSI-Bulletin2/08Das Mitteilungsorgan der Schweizerischen Vereinigung unabhängiger Sicherheitsingenieure und -beraterSo finden Sie uns im Internet: www.ssi-ch.infoErdbebenvorsorge für bestehende GebäudeVorgehen und ErfahrungenDie Schweiz verfügt erst seit 1989 über Normbestimmungen zum erdbebengerechtenBauen. Der Grossteil der bestehenden Gebäude wurde jedoch früher gebaut – ihreErdbebensicherheit ist deshalb weitgehend unbekannt. Der Bund lässt seit 2000 diebedeutendsten Bundesbauten auf Erdbebensicherheit überprüfen und hat dafür eindreistufiges Verfahren entwickelt.VON BRUKHARD RASTUND PETER ZWICKYAnders als internationale Richtlinien,zum Beispiel aus den USA, dientdie Schweizer Normenbestimmungnicht nur zur Bestimmung der baulichenErd bebensicherheit, sondern leistet vorallem einen Beitrag dazu, Prioritäten fürweitergehende Untersuchungen und Massnahmenzu setzen. Das macht es besondersgeeignet für grössere öffentliche undprivate Gebäudebestände.Erdbeben – dieunterschätzte GefahrDie grösste Naturgefahr in der Schweizsind Erdbeben: Sie haben zwar nur einerelativ geringe Eintretenswahrscheinlich -keit, das Schadenpotenzial ist jedochimmens. Für ein Beben mit der Stärke 6auf der Richterskala schätzt der Bund dieSchäden auf sieben Milliarden Franken –ein solches Beben tritt statistisch immerhinein Mal in 100 Jahren auf. ErhöhteErdbebengefahr besteht im Wallis, in derRegion Basel, in der Zentralschweiz, imEngadin und im St.Galler Rheintal. Diegeringe Eintretenswahrscheinlichkeit warvermutlich der Grund dafür, dass Erd -beben als Gefahr lange unterschätzt wurden.In der Schweiz wurden erst 1989erste Normbestimmungen für erdbebengerechtesBauen erstellt. Rund 90 Prozentaller Gebäude in der Schweiz wurdenjedoch früher erstellt – über ihre Erd -bebensicherheit lassen sich keine gesichertenAussagen machen. Ende 2000verabschiedete der Bundesrat ein erstesFür die Schweiz hat das Bundesamt für Umwelt Richtlinien zur Beurteilung der Erdbeben -sicherheit bestehender Gebäude festgelegt. Bedeutende Bundesbauten wie zum Beispieldas Bundesgericht werden nun auf ihre Erdbebensicherheit hin geprüft.Massnahmenprogramm zur Erdbebenvor -sorge. 2001 wurde die Koordinationsstellefür Erdbebenvorsorge geschaffen. Sie istheute beim Bundesamt für Umwelt BAFUangesiedelt.Mit gutem Beispiel voranFür alle neuen Gebäude setzen die SIA-Normen 260 bis 267 aus dem Jahr 2003die Standards für die Erdbebensicherheit.Wenn Ingenieur und Architekt gut zusammenarbeiten,kann für rund ein Prozentder Baukosten ein Gebäude erdbeben -sicher gebaut werden. Diese Normenwaren je doch für die meisten der bestehendenBauten nicht wirksam. Es ist auchnicht gesetzlich vorgeschrieben, bestehendeBauten auf ihre Erdbebensicherheitüberprüfen zu lassen. Der Bund übernimmthier eine Vorreiterrolle: In seinenMassnahmenprogrammen legte er fest,dass die Erdbebensicherheit aller bedeutendenBundesbauten (Bauwerksklassen IIund III 1 ) in allen vier Erdbebenzonen 2 be -urteilt werden sollen. Im Massnahmenplan2001 bis 2004 wurde mit der Überprüfung1Bauwerksklassen gemäss SIA 261 (2003): BWK III –hat lebenswichtige Infrastrukturfunktion (Lifeline) oderstellt eine erhebliche Gefährdung für die Umwelt dar(z.B. Austritt von Chemikalien), BWK II – Bauwerk mitgrösseren Menschenansammlungen, mit besonderswertvollen Gütern oder Einrichtungen oder mit wichtigerInfrastrukturfunktion oder mit lokaler Gefährdungfür die Umwelt. BWK I – Bauwerk ohne grössere Menschenansammlungen,ohne besonders wertvolle Güterund Einrichtungen, keine Gefährdung für die Umwelt.2SIA 261 (2003) unterscheidet vier Erdbebenzonen,basierend auf der maximalen horizontalen Bodenbeschleunigungbei einer Referenz-Wiederkehrperiodevon 475 Jahren.1

von knapp 400 Bundesgebäuden begonnen,im anschliessenden Massnahmen -paket ist die Überprüfung von rund 1500weiteren Gebäuden vorgesehen. Bei wesentlichen Mängeln sind «unter Be rück -sich ti gung der Verhältnismässigkeit derKosten», Schutzmassnahmen durchzuführen(Bundesratsbeschluss vom 11. De -zem ber 2000).Dreistufiges PrüfverfahrenDie verfügbaren Ressourcen sollen möglichstzielgerichtet und wirksam eingesetztwerden. Zu diesem Zweck hat dieKoordinationsstelle für Erdbebenvorsorgeein dreistufiges Prüfverfahren für bestehendeGebäude mit zunehmendem Detail -lierungsgrad entwickelt. Es dient dazu,das Risikopotenzial einzelner Gebäudeabzuschätzen und darauf basierend Prioritätenfür die Massnahmenplanung imgesamten Bundesbestand zu setzen:Für die Erdbebenvorsorgegibt es ein dreistufigesPrüfverfahren fürbestehende Gebäude.Stufe 1: Auf der Basis von Architek ten -plänen oder einer Begehung wird dasErdbebenrisiko eines Gebäudes mittelseiner einfachen Checkliste grob bestimmtE d i t o r i a lErdbebenvorsorgeDie Vorstellung, was ein starkes Erdbebenbewirken könnte, ist erschreckend:Das Szenario eines Erdbebens der Stärke6,5 (Richterskala) im Raum Basel führtin den Modellrechnungen zu über 1000Todesopfern, etlichen Verletzten und biszu 50 Mia. Schweizer Franken Sachschaden.Und obwohl Erdbeben in der Schweizrelativ selten sind – zwischen 1750 und2000 haben sich 26 Erdbeben der Stärke7 ereignet – stellen sie wegen des grossenSchadensausmasses das bedeutendsteRisiko aus Naturgefahren in der Schweizdar.Es sind genau solche Szenarien, diein letzter Zeit auch in vielen Risikoanalysen,die im Rahmen des Risikomanagementsvon Unternehmen gemäss OR 663bmanchmal als grösstes unter den «roten»Risiken auftauchen.Mit «roten» Erdbebenrisiken sindsowohl Risiken gemeint, die den Weiterbestandeines Unternehmens physischgefährden, wie auch Haftungsrisiken,denen ein Gebäudeinhaber durch Personenschädenausgesetzt ist. Zudem sind(Aufwand ca. drei bis fünf Stunden pro Ge -bäude). Gebäude mit einem hohen Risiko -potenzial werden in Stufe 2 als erste vertieftuntersucht.Stufe 2: Gebäude werden möglichst aufder Grundlage von Ingenieurplänen und miteiner Begehung beurteilt. Mit einfachenIngenieurberechnungen wird die Erdbe -ben sicherheit approximativ überprüft (Auf -wand ca. drei bis vier Tage pro Gebäudebeziehungsweise pro separat zu beurteilendemGebäudetrakt).Stufe 3: Die dritte Stufe wird als erstes fürGebäude durchgeführt, bei denen sich dieErdbebensicherheit mit Stufe 2 als geringherausgestellt hat oder aber für Gebäude,für die konkrete Sanierungs- oder Umbau -massnahmen geplant sind. Sie umfassteine vollständige Überprüfung der Erd -bebensicherheit auf der Basis des SIA-Merkblatts 2018 (2004) «Überprüfung be -stehender Gebäude bezüglich Erdbe ben»(Aufwand eine bis mehrere Wochen proGebäude).Im Folgenden soll vor allem der Einen -g ungsprozess in Stufe 1 und 2 vorgestelltwerden.Stufe 1: Grobe AbschätzungStufe 1 dient einer schnellen und grobenÜberprüfung eines Gebäudes und kanndeshalb nur sehr beschränkt Aussagenzum Tragwerksverhalten und zur Trag -sicherheit machen. Die Ergebnisse dienendie durch ein Erdbeben zerstörten Wertenicht in vollem Umfang durch Versicherungengedeckt.Um etwas mehr Klarheit in diese Risikenzu bringen, ist in diesem SSI-Bulletinein stufenweises Vorgehen zur Erdbeben-Risikoermittlung für bestehende Bautendargestellt. Für neue Bauten sind bereitsseit dem Jahr 2003 die aktuellen SIA-Normen 260 bis 267 verfügbar, die esermöglichen, einen angemessenen Erbebenschutzeffizient zu erreichen.Der Bund geht in der Erdbebenvorsorgeschon seit dem Jahr 2000 mitgutem Beispiel voran und auch zahlreicheKantone treffen Massnahmen zurErbebenvorsorge. Dieses SSI-Bulletin sollauch die anderen Akteure ermuntern,sich diesem häufig unterschätzten Themazu widmen.Dr. Matjaz RosSRB Assekuranz Broker AG2Prioritätensetzung für weitergehendeAbklärungen: Priorität 1 haben Gebäudemit einer Risikokennzahl RZPS von über500 und einer Einsturzwahrscheinlich -keits-Kennzahl WZ von über 65 (basie rendauf dem Bundesinventar 2001 bis 2004).I M P R E S S U MHerausgeber:Schweizerische VereinigungunabhängigerSicherheitsingenieure und-bera terGüstrasse 46, CH-8700 KüsnachtTelefon 044 910 73 06Fax 044 910 73 96Erscheinungsweise: Zwei Ausgaben pro JahrMitarbeiterdieser Ausgabe:Layout, Satzund Druck:Burkhard Rast und Peter ZwickyBasler & Hofmann AG, ZürichDr. Matjaz RosSRB Assekuranz Broker AG, ZürichRheintaler Druckerei und Verlag AG,9442 Berneck

ausschliesslich zur Prioritätensetzung unddies vorwiegend für grosse Gebäude be -stände.Aufgrund einfacher Parameter werden dieSchadensausmass-Kennzahl (AZPS) sowiedie Einsturzwahrscheinlichkeits-Kennzahl(WZ) für jedes Gebäude abgeschätzt undin einem Diagramm dargestellt (siehe Gra -fik). Während das Schadensausmass vorallem durch die Nutzung des Ge bäudesbestimmt wird, hängt die Ein sturzwahr -schein lichkeit primär vom Trag werk ab.Die Risikokennzahl RZPS ist als Produktaus AZPS und WZ definiert. Die Isolinienmar kieren Gebäude mit derselben Risiko -kennzahl.Das Diagramm erleichtert die Prioritä -tensetzung für genauere Abklärungen undgibt erste Hinweise darauf, wie das Risikoreduziert werden kann: Für Gebäude mithoher WZ ist eine Verstärkung des Trag -werks sinnvoll, ein hohes Schadens aus -mass könnte mit einer Umnutzung reduziertwerden.Stufe 2: HerausforderungTragwerksabklärungIn Stufe 2 wird eine vereinfachte Analysegemäss dem Ersatzkraftverfahren durchgeführt.Anhand von sieben Eignungs -kriterien, die sich auf die wichtigstenTrag werkseigenschaften unter Erdbeben -ein wir kung beziehen, wird geprüft, ob dieszu lässig ist – falls nicht, ist in der Regeleine Beurteilung nach Stufe 3 nötig. BeiGebäuden in den Erdbebenzone 2 und 3ist dieser Entscheid strenger zu handhabenals für solche in Zone 1. Als Ergebnisdes Stufe-2-Verfahrens werden wiederumPrioritäten für weitere Massnahmen festgelegt.Die entscheidende Grösse hierfürist der Erfüllungsfaktor α ef . Er ist definiertals der Quotient des Tragwiderstandeseines Bauteils zur entsprechenden Bean -spruchung (SIA 2018). Der Erfül lungs fak -tor für ein ganzes Gebäude ist der kleinsteWert der Erfüllungsfaktoren aller im Trag -system berücksichtigten Bauteile. Ist α eff< 0,25 oder sind gravierende Mängelvorhanden, ist die Erdbeben sicherheit mitStufe 3 abzuklären, liegt α eff zwischen0,25 und 0,8 wird die Stufe-3-Beurteilungbei einem Umbau oder einer Sanierungdurchgeführt.Die aktuelle Richtlinie für die Stufe 2(2. Fas sung von 2006) wurde bisher nochnicht breit angewandt. Basler & Hofmannarbeitet derzeit im Auftrag der Koordina -tionsstelle für Erdbebenvorsorge an einerStudie für rund 40 Verwaltungsgebäude inder Erdbebenzone 1. Die Gebäude unter-scheiden sich stark bezüglich Baujahr undBauweise. Fast jedes Tragwerk ist ein Uni -kat. Die Erkennung des Tragwerks erweistsich als der kritische Bearbeitungsschritt.Wegen der nur begrenzt verfügbaren Plan -grundlagen (insbesondere fehlen oft Inge -nieurpläne) sind die für die Abtragung derErdbebenkräfte massgebenden Tragwerkein vielen Fällen nur unzureichend klar er u -ierbar.In der Stufe 2 muss geklärt werden können,ob ein Gebäude durch Dilatations -fugen in separat zu beurteilende Trakteun terteilt ist, da sonst krasse Fehlbe -urteilungen resultieren könnten. Mit derStufe 1 können solche Unterteilungen inder Regel nicht erkannt werden. Die meis -ten der untersuchten Gebäude habenstark unterschiedliche Tragwerke für dieQuer- und Längsrichtung. Zudem sindzusammengebaute Gebäude mit starkunterschiedlichen Tragwerkseigenschaf -ten, solche mit komplizierten Tragwerkenwegen Umbauten aus verschiedenen Zeit -epochen und mit verschiedenen Bau -stoffen zu beurteilen. Diese Eigenschaftenerhöhen den normalen Bearbeitungsauf -wand erheblich.Richtlinien im VergleichEinige weltweit tätige Konzerne wie Hew -lett Packard fordern auch für ihre europäischenStandorte ein Verfahren nach denVorgaben der American Society of CivilEngineers (ASCE 31). Der ASCE-Standardwird in den USA für Bundesbauten angewandt.Auch er geht von einem dreistufigenEinengungsverfahren aus. Doch denbeiden Vorgehensweisen liegen unterschiedlichePrinzipien zugrunde: Die amerikanischeASCE-Norm gibt strikte Wertevor, die einzuhalten sind. Andernfalls sindErtüchtigungsmassnahmen gefordert. An -ders die Schweizer Richtlinien. Sie sehenneben der technischen ÜberprüfungAuch der ASCE-Standardin den USA geht von einemdreistufigen Einengungsverfahrenaus.immer auch eine Prioritätensetzung fürweitere Massnahmen vor und eröffnendamit einen Abwägungsspielraum. DasZiel ist es, die Ressourcen in einem Ge -bäude bestand möglichst wirksam zu investieren.Ertüchtigungsmassnahmen werdendeshalb unter anderem auch davon ab -hängig gemacht, welche Kosten mit wel-S S I -Mitgliedfirmenstellen sich vor:Gruner AGDie Gruner-Gruppe ist ein führenderund unabhängiger Anbieter vonIngenieur- und Planerleistungen mitrund 21 Standorten in der Schweiz,in Deutschland sowie in Österreich.Das breit gefächerte Leistungsangeboterstreckt sich über die Bereiche Tief-,und Unteretagebau, Konstruktion,Energie, Umwelt und Sicherheit. ImBereich Sicherheit erhalten die Kundenvon unseren über 20 Spezialistenunabhängige und neutrale BeratungsundPlanungsleistungen.Unser Motto:Profitable Sicherheit zu schaffen – vonder Konzeption über die Planung undAusschreibung bis zur Inbetriebnahme.Dabei steht neben einer hohen fachlichenKompetenz insbesondere eineerfolgreiche Zusammenarbeit mit denKunden im Zentrum.Unsere Leistungen:• Risikoanalysen und Sicherheits kon -zepte für Organisationen, Unter -nehmen, Anlagen, Infras truktur -bauten, Verkehrswege• Brandschutz- und Entrauchungs -konzepte• Brandsimulationen und Entrauchungs -nachweise• Evakuierungskonzepte und Personen -stromsimulationen• Zutritts- und Überwachungskonzepte,Security-Konzepte• Notfallplanung und Störfallvorsorge• Einsatzplanung und Katastrophen -vorsorge• Krisenmanagement• Tunnelsicherheit und TunnellüftungGruner AGIngenieure und PlanerGellertstrasse 554020 BaselTel. +41 (61) 317 61 61Kontakt: Jon MengiardiE-Mail: jon.mengiardi@gruner.chwww.gruner.ch3

Beispielhafte Anwendung der Stufe 2 für ein VerwaltungsgebäudeGrundlagen• Baujahr 1967, Bauwerksklasse II• Erdbebenzone 1, Baugrundklasse C• 7 Geschosse, davon 1 UG• Rechteckiger Grundriss mit vorgelagertem Treppenhausbereich• einseitig angrenzendes Nachbargebäude ist durch Fuge abgetrennt• Tragwerk aus Stahlbeton (Tragwände, Stützen, Decken)Ansicht Beispielgebäude. Im Grundriss sind diedurchgehend tragenden Wände markiert.Gemäss dem Stufe-2-Verfahren resultiert beim Beispielgebäude die folgende Beurteilung:• Die sieben Eignungskriterien sind alle erfüllt, das Kriterium bezüglich Torsion jedoch nur, wenn eine ausreichendeBewehrung zur Aufnahme der Torsionskräfte vorhanden ist.• Die Anwendung des Ersatzkraftverfahrens ist zulässig. Bei der Verteilung der Kräfte auf die einzelnen kraftabtragendenWände ist die Torsionswirkung möglichst realistisch zu berücksichtigen.• Die massgebenden Eigenfrequenzen betragen für die Querrichtung 3,2 Hertz, für die Längsrichtung 1,8 Hertz.• Der Erfüllungsfaktor α eff beträgt in Quer- und Längsrichtung je 0,3.• Für das Tragverhalten bei Erdbeben sind die Südfassadenwand (Schubübertragung) und die Treppenhauswand (Biegung)im Erdgeschoss massgebend.Mit einem Erfüllungsfaktor von α eff = 0,3 erhält das Gebäude die Einstufung Priorität 2, das heisst, für Sanierungen oderUmbaumassnahmen wird seine Erdbebensicherheit in Stufe 3 beurteilt.Über die AutorenBurkhard Rast (l.) und Peter Zwickysind Dipl. Bau-Ing. ETH. Sie sind beideals Fachexperten für bauliche Sicherheitbei Basler & Hofmann tätig. Sie verfügenüber langjährige und breite Erfahrungim Erdbebeningenieurwesen und in derBeurteilung der baulichen Sicherheit vonneuen und bestehenden Bauwerken undEinrichtungen, insbesondere für wichtigeIndustrie- und Infrastrukturbauten. Zuihrem Wirkungsfeld als Fachexpertenund Projektleiter gehören zahlreicheGrund lagenstudien im Fachgebiet Erd -bebensicherheit.chem Nutzen verbunden sind und wielange das Gebäude noch genutzt werdenwird.In einem Vergleich zwischen der Stufe 2-Beurteilung nach den amerikanischen undIm Schweizer Verfahren wirderst in Stufe 3 über konkreteMassnahmen entschieden.den Schweizer Vorgaben, anhand des obenaufgeführten Beispielgebäudes, ergebensich deshalb Unterschiede: Im amerikanischenVerfahren ist aufgrund der bereits inStufe 2 feststellbaren Mängel keine weitereVertiefung der Untersuchung in einerdritten Stufe erforderlich, da davon auszugehenist, dass sie keine weiteren Er -kenntnisse bringt. Wenn das Gebäude dieASCE-Standards erfüllen soll, sind Er -tüchtigungsmassnahmen erforderlich. ImSchweizer Verfahren wird stets erst inStufe 3 über konkrete Massnahmen entschieden– unter Berücksichtigung wei -terer Kriterien.Sensibilisierung nötigDie Erdbebensicherheit bestehender Ge -bäude ist in der Schweiz im Gegensatz zuden USA oder Japan noch eine relativjunge Disziplin. Es ist durchaus möglich,dass die heutigen Richtlinien aufgrund derAnwendungserfahrungen in Zukunft nochangepasst werden. Eine weitaus grössereHerausforderung als die Weiterentwick -lung des Normenwerks besteht jedochdarin, möglichst viele Fachleute und Haus -besitzer für das Thema Erdbebensicher -heit zu sensibilisieren. Noch immer sindErdbeben in der Schweiz die grössteunter schätzte Naturgefahr.4