Bauen im Permafrost: ein Leitfaden für die Praxis - SLF
Bauen im Permafrost: ein Leitfaden für die Praxis - SLF
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WSL-Institut <strong>für</strong> Schnee- und Lawinenforschung <strong>SLF</strong><br />
Workshop <strong>Bauen</strong> <strong>im</strong> <strong>Permafrost</strong>, 1. Oktober 2009, Davos<br />
<strong>Bauen</strong> <strong>im</strong> <strong>Permafrost</strong>: <strong>ein</strong> <strong>Leitfaden</strong> <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />
<strong>Praxis</strong><br />
Christian Bommer, Marcia Phillips
Inhalt<br />
Dank<br />
Einleitung<br />
Struktur des <strong>Leitfaden</strong>s<br />
• Grundlagen<br />
• Projektablauf<br />
• Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Standortwahl<br />
• Tragwerkskonzept<br />
• Technische Lösungen<br />
• Überwachung<br />
• Kosten<br />
Schlusspunkte
Dank<br />
Auftraggeber<br />
• armasuisse Immobilien<br />
• Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr BAV<br />
Co-Autoren<br />
• Hans-Rudolf Keusen, Geotest AG<br />
• Philipp Teysseire, Teysseire & Candolfi AG<br />
Fachliche Begleitgruppe<br />
• Rolf Keiser und Christian Tellenbach, armasuisse Immobilen<br />
• Urs Dietrich, BAV<br />
• Philipp Teysseire, Teysseire & Candolfi AG<br />
• Charly Wuilloud, Kanton Wallis
Projektpartner<br />
• Kanton Wallis<br />
• Geotest AG<br />
• Schweizer Alpen-Club SAC<br />
Dank<br />
Review<br />
• Lukas Arenson, BGC Engineering<br />
• Ruedi Degelo, Gasser Felstechnik AG<br />
• Felix Keller, Academia Engiadina<br />
• Stefan Margreth, <strong>SLF</strong><br />
• Hansruedi Schneider, Hochschule <strong>für</strong> Technik Rapperswil HSR<br />
• Fachliche Begleitgruppe<br />
Lektorat<br />
• Veronika Stöckli, <strong>SLF</strong><br />
• Michael Lehning, <strong>SLF</strong><br />
• Frank Krumm, <strong>SLF</strong>
Weitere Beteiligte<br />
Dank<br />
• Geologie- und Ingenieur Büros, Fachunternehmen<br />
• Infrastrukturbetreiber<br />
• Bau- und Fachspezialisten, Forschende, Messtechniker<br />
• Vortragende am heutigen Workshop<br />
Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)
Einleitung<br />
Problematik<br />
• Kalter, z.T. eishaltiger Baugrund, mit<br />
potentiell veränderlichen<br />
geotechnischen Eigenschaften<br />
• Änderung der Baugrundeigenschaften<br />
durch Kl<strong>im</strong>aänderung, Bauarbeiten und<br />
Nutzung<br />
• Erhöhte technische und logistische<br />
Herausforderungen<br />
• Überwachung/Monitoring nötig<br />
• Hohe Kosten bei Schäden und<br />
Sanierungsarbeiten<br />
• Jedes Bauprojekt <strong>ein</strong>zigartig!<br />
Eisreiches Lockergest<strong>ein</strong> (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
Standortwahl und Tragwerkskonzept<br />
von zentraler Bedeutung<br />
Risse (Foto Markus Walser)
Ziele<br />
Einleitung<br />
• Ausarbeitung <strong>ein</strong>es praxisorientierten <strong>Leitfaden</strong>s <strong>für</strong> <strong>die</strong> Erstellung,<br />
Unterhalt und Überwachung von Bauten <strong>im</strong> <strong>Permafrost</strong><br />
• Senkung des Schadenpotenzials und der damit verbundenen Risiken<br />
und Kosten in alpinen <strong>Permafrost</strong>gebieten<br />
• Verlängerung der Nutzungsdauer von Hochgebirgsbauten<br />
St<strong>ein</strong>schlag in Schneenetze (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
High-tech Gebäude <strong>im</strong> <strong>Permafrost</strong> (Foto <strong>SLF</strong>)
Relevanz<br />
Einleitung<br />
• <strong>Praxis</strong> (Ingenieur- & Geologiebüros, Bauunternehmen,<br />
Infrastrukturbetreiber, Messtechnik)<br />
• Wissenschaft (<strong>Permafrost</strong>forschung, Geotechnik,<br />
Materialentwicklung, Messtechnik)<br />
• Öffentlichkeit (Ämter, Benutzer von Hochgebirgsinfrastrukturen)<br />
Erster <strong>Leitfaden</strong> <strong>für</strong> Bauten <strong>im</strong> Gebirgspermafrost<br />
Fotos <strong>SLF</strong>
Informationsquellen<br />
• Literatur, technische Richtlinien aus Kanada, Alaska, Russland,<br />
Konferenzen<br />
• Interviews mit Bauingenieur- und Geologiebüros, Messtechniker,<br />
Infrastrukturbetreiber, Baufachleute, Materialhersteller,<br />
Forschungsinstitute <strong>im</strong> ganzen Alpenraum<br />
• Begehungen bestehende Bauten, laufende / geplante Baustellen<br />
• Messungen und Versuche Bohrlochtemperaturen, -deformationen,<br />
Vermessung, Laserscanning, Überwachung Testbauten, Geophysik etc.<br />
Fotos <strong>SLF</strong>
Struktur des <strong>Leitfaden</strong>s<br />
I Grundlagen<br />
• Definitionen und Erläuterungen<br />
• <strong>Permafrost</strong>verteilung<br />
• Thermische und geotechnische Eigenschaften des <strong>Permafrost</strong>s<br />
• Geomorphologie<br />
• Kl<strong>im</strong>aänderung<br />
• Naturgefahren<br />
• Abklärung von <strong>Permafrost</strong>vorkommen<br />
Blockgletscher (Foto Daniel Furger)<br />
Felssturz (Foto Carlo Danioth)
II Empfohlener Projektablauf<br />
Struktur des <strong>Leitfaden</strong>s<br />
6 Projektphasen in Anlehnung an SIA Normen:<br />
• Vorstu<strong>die</strong> (Abklärungen, Untersuchungen, Tragwerksanalyse)<br />
• Vorprojekt (Anforderungen, Einwirkungen, Auswirkungen)<br />
• Bauprojekt (Bemessung, Nachweise)<br />
• Realisierung (Ausführung, Überwachung)<br />
• Nutzung und Erhaltung (Überwachung, Erhaltung, Massnahmen)<br />
• Rückbau<br />
Wichtig:<br />
- Opt<strong>im</strong>ales Einbinden des Knowhows aller beteiligten Disziplinen<br />
(Multidisziplinarität, Kommunikation)<br />
- Verantwortlichkeiten<br />
Geländebegehung (Foto <strong>SLF</strong>)
III Technische Lösungen<br />
Struktur des <strong>Leitfaden</strong>s<br />
• Fundationen<br />
• Verankerungen<br />
• Aushub<br />
• Baumaterialen<br />
• Flexible Systeme<br />
• Massnahmen zur Verminderung Wärme<strong>ein</strong>trag in Untergrund<br />
• Baugrund-Tragfähigkeitsverbesserung<br />
• Stollen und Tunnel<br />
Baugrube (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
© Leitner AG (Phillips et al. 2007)
Wichtigste Erkenntnisse<br />
Standortwahl<br />
• Vorstu<strong>die</strong> wichtig, zeit- und kostenaufwändig<br />
• Abklärungen <strong>Permafrost</strong>vorkommen (ja / n<strong>ein</strong>)<br />
- Generelle Abklärungen (Hinweiskarten, bestehende Daten PERMOS /<br />
IMIS, Fernerkundung, Modelle)<br />
- Beobachtungen <strong>im</strong> Gelände (Geomorphologie, Geologie)<br />
- Messungen <strong>im</strong> Gelände (Bodentemperatur, Vermessung, Geophysik)<br />
- Nachweis <strong>im</strong> Gelände (Son<strong>die</strong>rschlitze, Bohrungen)<br />
• Standortverschiebung, Bauverzicht (eisreicher Baugrund,<br />
Naturgefahren)<br />
N<br />
NW<br />
NE<br />
W<br />
E<br />
SW<br />
K<strong>ein</strong><br />
<strong>Permafrost</strong><br />
2800<br />
2600<br />
2400<br />
2200<br />
2000<br />
S<br />
<strong>Permafrost</strong><br />
möglich<br />
SE<br />
<strong>Permafrost</strong><br />
wahrsch<strong>ein</strong>lich<br />
Diagramm angepasst nach Haeberli 1975<br />
Bohrung Versuchsanker (Foto <strong>SLF</strong>)
Standortwahl<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
Geotechnische Eigenschaften<br />
Gest<strong>ein</strong>sgefüge<br />
Schematische<br />
Darstellung<br />
Volumetrischer Eisgehalt<br />
(Sättigungsgrad mit Eis)<br />
Mechanisches Verhalten<br />
<strong>im</strong> gefrorenen Zustand<br />
Quasiisotrop (ähnliche<br />
Eigenschaften in allen<br />
Richtungen)<br />
Lockergest<strong>ein</strong> mit viel<br />
Eis<br />
Eisreich 55 - 85 %<br />
(übersättigt)<br />
Ausgeprägtes Kriechen unter<br />
Belastung (Schwerkraft,<br />
Auflast)<br />
Lockergest<strong>ein</strong> mit<br />
wenig Eis<br />
Eisarm 0 - 20 %<br />
(ungesättigt – gesättigt)<br />
Kriechen unter Belastung<br />
Anisotrop<br />
(Richtungsabhängige<br />
Eigenschaften)<br />
Geklüfteter Fels mit viel<br />
Eis<br />
Eisreich 10 – 30%<br />
(gesättigt)<br />
Kriechen auf Klüften<br />
Geklüfteter Fels mit<br />
wenig Eis<br />
Eisarm 0 – 10 %<br />
(ungesättigt)<br />
Geringe Probleme, evt.<br />
Kriechen auf ungünstig<br />
liegenden Klüften<br />
Tabelle angepasst nach Keusen
Tragwerkskonzept<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Geeignete Standortwahl<br />
• Robustes, angepasstes Tragwerk mit geeignetem Fundations- und<br />
Verankerungskonzept sowie <strong>ein</strong>geplanten Redundanzen<br />
• Tragende Elemente / Bauteile sind <strong>im</strong> ungestörten <strong>Permafrost</strong>körper<br />
<strong>ein</strong>zubinden (Hebungskräfte Auftauschicht berücksichtigen)<br />
• Auswirkungen der Kl<strong>im</strong>aerwärmung auf den Baugrund während der<br />
Lebensdauer <strong>ein</strong>er Baute berücksichtigen (Prognose)<br />
• Zeitabhängige Kriechprozesse berücksichtigen<br />
• Deformationen während der Nutzungsdauer dürfen nicht zu<br />
Nutzungs<strong>ein</strong>schränkungen führen (Gebrauchstauglichkeit)<br />
• Naturgefahren in Gefährdungsbilder <strong>ein</strong>beziehen, Schutzmassnahmen<br />
wenn nötig planen, Restrisiko abschätzen<br />
Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Fundationen: gut tragfähiger Baugrund: Einzel- oder<br />
Streifenfundamente, Platten- oder Tiefenfundation bei schlecht<br />
tragfähigem Baugrund und sehr grosse Lasten, steife Bauweise<br />
Streifenfundament (Foto Ruch Architekten)
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Verankerungen: Ausführung erfordert Erfahrung;<br />
Verankerungsstollen oder –schacht <strong>für</strong> grosse Lasten mit<br />
hohem Schadenpotenzial; Reibungsverankerung <strong>für</strong> kl<strong>ein</strong>ere<br />
Lasten mit geringem Schadenpotenzial<br />
Darstellungen angepasst nach Keusen und Amiguet<br />
1987, resp. Keusen und Haeberli 1983
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Aushub: Im Lockergest<strong>ein</strong> mit grösserem Bagger, Abbauhammer<br />
oder Sprengungen; Im Fels Aushub mit Abbauhammer oder<br />
Sprengaushub (erhöhte Sprengstoffmenge)<br />
• Baumaterialien: Abbindeprozess von Mörtel und Beton durch<br />
Zusatzstoffe beschleunigen, Erwärmung Anmachwasser,<br />
Verwendung von Spezialmörtel; Abbindewärme in Bemessung<br />
und Produktewahl berücksichtigen; Für Rückfüllarbeiten und<br />
Materialaustausch frostbeständiges Material verwenden<br />
Aushubarbeiten (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
Ankermörtel Mischpumpe (Foto <strong>SLF</strong>)
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Flexible Systeme: Querverschiebbare Seilbahnstützen; Drei<br />
Punkte Lagerung, k<strong>ein</strong>e Schnittkraftumlagerung,<br />
Deformationskorrekturen möglich; Lawinenverbauung,<br />
Schneenetze mit schw<strong>im</strong>mender Fundation und Pendelstützen<br />
auf kriechendem <strong>Permafrost</strong><br />
Querverschiebbare Seilbahnstütze (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
Punktlager Stahlkonstruktion (Foto Markus Walser)
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Massnahmen zur Verminderung Wärme<strong>ein</strong>trag in den<br />
Untergrund: Druckfeste Wärmedämmung zwischen warmer<br />
Infrastruktur und kaltem Baugrund; Bauliche Massnahmen wie<br />
Lufthohlraum, ungeheizte Kellerräume; Aktive und passive Kühlsysteme;<br />
Modifikation der Bodenoberfläche wie Vliesabdeckung,<br />
Veränderung der Schneedecke, um <strong>Permafrost</strong> zu erhalten<br />
Darstellungen angepasst nach Arenson et al. 2009
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Baugrund-Tragfähigkeitsverbesserung: Homogenisierung<br />
des Baugrunds durch Materialaustausch; Mörtelinjektion und<br />
Vernagelung in zerklüfteten Fels<br />
Darstellungen <strong>SLF</strong>
Technische Lösungen<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Stollen und Tunnel: Im eisarmen, standfesten Fels: Ausbruch<br />
und Ausbau von Stollen und Tunnel wie <strong>im</strong> ungefrorenen Fels;<br />
Im eisreichen, nicht standfesten Fels und Lockergest<strong>ein</strong>:<br />
Ausbruch mit Schildmaschinen oder maschinenunterstütztem<br />
Vortrieb mit <strong>ein</strong>em wasserdichten Ausbau; Für kl<strong>ein</strong>e, schlecht<br />
zugängliche Stollen und Tunnel Sprengvortrieb mit <strong>ein</strong>er<br />
“Marciavanti“ Ausbruchsicherung<br />
Marciavanti-Stollen (Fotos G&T AG)
Überwachung<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Vor, während und nach der Ausführung<br />
• Regelmässige Überwachung kann als Frühwarnsystem <strong>die</strong>nen<br />
• Überwachungssysteme, Messfrequenz und -präzision (Bauablauf,<br />
Deformationsempfindlichkeit)<br />
Laserscanner (Foto <strong>SLF</strong>)<br />
3D Laserscanning (Aufnahme Terra Data)
Höhere Bau- und Überwachungskosten<br />
Wichtigste Erkenntnisse<br />
• Transportkosten (z.B. Helikopter, Materialseilbahn)<br />
• Grösserer technischer Aufwand (z.B. Mörtel heizen, Schutzbauten<br />
erstellen, Eis entfernen / schützen)<br />
• Extreme Witterung, kurze Sommersaison, Höhenlage<br />
• Exponiertes Gelände<br />
• Aufwändigere Überwachung (dynamische, zeitabhängige Prozesse)<br />
Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)
Schlusspunkte<br />
Zusammenfassung<br />
• Erfolgreiche Realisation <strong>ein</strong>es Bauprojekts ist <strong>ein</strong>e technische und<br />
logistische Herausforderung <strong>für</strong> alle Beteiligten<br />
• Vorstu<strong>die</strong>, Standortwahl und Tragwerkskonzept sind von zentraler<br />
Bedeutung <strong>für</strong> nachhaltige Bauobjekte<br />
• Systematische Überwachung erhöht <strong>die</strong> Sicherheit während allen<br />
Projektphasen, kann als Frühwarnsystem <strong>die</strong>nen<br />
• Jedes Bauprojekt <strong>im</strong> Hochgebirge ist <strong>ein</strong>zigartig, deshalb<br />
spezielle, angepasste technische Lösungen erforderlich<br />
• Höhere Bau- und Überwachungskosten<br />
• <strong>Leitfaden</strong> zeigt mögliche Lösungen auf, basierend auf aktuellem,<br />
fachlichen und technischen Wissensstand, k<strong>ein</strong> Anspruch<br />
allumfassend zu s<strong>ein</strong><br />
• Generelle “Rezepte“ <strong>für</strong> nachhaltiges <strong>Bauen</strong> <strong>im</strong> <strong>Permafrost</strong> sind<br />
nicht zweckmässig, aufgrund der hohen Komplexität
Schlusspunkte<br />
Bezug des <strong>Leitfaden</strong>s<br />
• Workshop Teilnehmende erhalten 1 <strong>Leitfaden</strong> gratis (Gutsch<strong>ein</strong>)<br />
• <strong>SLF</strong> Stand ISSW (CHF 26.-)<br />
• Bestellungen: e-shop@wsl.ch (CHF 26.-)<br />
• Online: www.slf.ch (pdf Dokument)<br />
• Le guide pratique paraîtra prochainement en français
Herzlichen Dank<br />
• Offene Gespräche / Erfahrungen der Interviewpartner<br />
• Fachliche Begleitgruppe<br />
• Alle Beteiligten<br />
Rifugio Camosci (Foto Giovanni Kappenberger)
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