Bauen im Permafrost: ein Leitfaden für die Praxis

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1 WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF Workshop Bauen im Permafrost, 1. Oktober 2009, Davos Bauen im Permafrost: ein Leitfaden für die Praxis Christian Bommer, Marcia Phillips

2 Inhalt Dank Einleitung Struktur des Leitfadens Grundlagen Projektablauf Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Standortwahl Tragwerkskonzept Technische Lösungen Überwachung Kosten Schlusspunkte

3 Dank Auftraggeber armasuisse Immobilien Bundesamt für Verkehr BAV Co-Autoren Hans-Rudolf Keusen, Geotest AG Philipp Teysseire, Teysseire & Candolfi AG Fachliche Begleitgruppe Rolf Keiser und Christian Tellenbach, armasuisse Immobilen Urs Dietrich, BAV Philipp Teysseire, Teysseire & Candolfi AG Charly Wuilloud, Kanton Wallis

4 Projektpartner Kanton Wallis Geotest AG Schweizer Alpen-Club SAC Dank Review Lukas Arenson, BGC Engineering Ruedi Degelo, Gasser Felstechnik AG Felix Keller, Academia Engiadina Stefan Margreth, SLF Hansruedi Schneider, Hochschule für Technik Rapperswil HSR Fachliche Begleitgruppe Lektorat Veronika Stöckli, SLF Michael Lehning, SLF Frank Krumm, SLF

5 Weitere Beteiligte Dank Geologie- und Ingenieur Büros, Fachunternehmen Infrastrukturbetreiber Bau- und Fachspezialisten, Forschende, Messtechniker Vortragende am heutigen Workshop Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)

6 Einleitung Problematik Kalter, z.t. eishaltiger Baugrund, mit potentiell veränderlichen geotechnischen Eigenschaften Änderung der Baugrundeigenschaften durch Klimaänderung, Bauarbeiten und Nutzung Erhöhte technische und logistische Herausforderungen Überwachung/Monitoring nötig Hohe Kosten bei Schäden und Sanierungsarbeiten Jedes Bauprojekt einzigartig! Eisreiches Lockergestein (Foto SLF) Standortwahl und Tragwerkskonzept von zentraler Bedeutung Risse (Foto Markus Walser)

7 Ziele Einleitung Ausarbeitung eines praxisorientierten Leitfadens für die Erstellung, Unterhalt und Überwachung von Bauten im Permafrost Senkung des Schadenpotenzials und der damit verbundenen Risiken und Kosten in alpinen Permafrostgebieten Verlängerung der Nutzungsdauer von Hochgebirgsbauten Steinschlag in Schneenetze (Foto SLF) High-tech Gebäude im Permafrost (Foto SLF)

8 Relevanz Einleitung Praxis (Ingenieur- & Geologiebüros, Bauunternehmen, Infrastrukturbetreiber, Messtechnik) Wissenschaft (Permafrostforschung, Geotechnik, Materialentwicklung, Messtechnik) Öffentlichkeit (Ämter, Benutzer von Hochgebirgsinfrastrukturen) Erster Leitfaden für Bauten im Gebirgspermafrost Fotos SLF

9 Informationsquellen Literatur, technische Richtlinien aus Kanada, Alaska, Russland, Konferenzen Interviews mit Bauingenieur- und Geologiebüros, Messtechniker, Infrastrukturbetreiber, Baufachleute, Materialhersteller, Forschungsinstitute im ganzen Alpenraum Begehungen bestehende Bauten, laufende / geplante Baustellen Messungen und Versuche Bohrlochtemperaturen, -deformationen, Vermessung, Laserscanning, Überwachung Testbauten, Geophysik etc. Fotos SLF

10 Struktur des Leitfadens I Grundlagen Definitionen und Erläuterungen Permafrostverteilung Thermische und geotechnische Eigenschaften des Permafrosts Geomorphologie Klimaänderung Naturgefahren Abklärung von Permafrostvorkommen Blockgletscher (Foto Daniel Furger) Felssturz (Foto Carlo Danioth)

11 II Empfohlener Projektablauf Struktur des Leitfadens 6 Projektphasen in Anlehnung an SIA Normen: Vorstudie (Abklärungen, Untersuchungen, Tragwerksanalyse) Vorprojekt (Anforderungen, Einwirkungen, Auswirkungen) Bauprojekt (Bemessung, Nachweise) Realisierung (Ausführung, Überwachung) Nutzung und Erhaltung (Überwachung, Erhaltung, Massnahmen) Rückbau Wichtig: - Optimales Einbinden des Knowhows aller beteiligten Disziplinen (Multidisziplinarität, Kommunikation) - Verantwortlichkeiten Geländebegehung (Foto SLF)

12 III Technische Lösungen Struktur des Leitfadens Fundationen Verankerungen Aushub Baumaterialen Flexible Systeme Massnahmen zur Verminderung Wärmeeintrag in Untergrund Baugrund-Tragfähigkeitsverbesserung Stollen und Tunnel Baugrube (Foto SLF) Leitner AG (Phillips et al. 2007)

13 Wichtigste Erkenntnisse Standortwahl Vorstudie wichtig, zeit- und kostenaufwändig Abklärungen Permafrostvorkommen (ja / nein) - Generelle Abklärungen (Hinweiskarten, bestehende Daten PERMOS / IMIS, Fernerkundung, Modelle) - Beobachtungen im Gelände (Geomorphologie, Geologie) - Messungen im Gelände (Bodentemperatur, Vermessung, Geophysik) - Nachweis im Gelände (Sondierschlitze, Bohrungen) Standortverschiebung, Bauverzicht (eisreicher Baugrund, Naturgefahren) N NW NE W E SW Kein Permafrost S Permafrost möglich SE Permafrost wahrscheinlich Diagramm angepasst nach Haeberli 1975 Bohrung Versuchsanker (Foto SLF)

14 Standortwahl Wichtigste Erkenntnisse Geotechnische Eigenschaften Gesteinsgefüge Schematische Darstellung Volumetrischer Eisgehalt (Sättigungsgrad mit Eis) Mechanisches Verhalten im gefrorenen Zustand Quasiisotrop (ähnliche Eigenschaften in allen Richtungen) Lockergestein mit viel Eis Eisreich % (übersättigt) Ausgeprägtes Kriechen unter Belastung (Schwerkraft, Auflast) Lockergestein mit wenig Eis Eisarm 0-20 % (ungesättigt gesättigt) Kriechen unter Belastung Anisotrop (Richtungsabhängige Eigenschaften) Geklüfteter Fels mit viel Eis Eisreich 10 30% (gesättigt) Kriechen auf Klüften Geklüfteter Fels mit wenig Eis Eisarm 0 10 % (ungesättigt) Geringe Probleme, evt. Kriechen auf ungünstig liegenden Klüften Tabelle angepasst nach Keusen

15 Tragwerkskonzept Wichtigste Erkenntnisse Geeignete Standortwahl Robustes, angepasstes Tragwerk mit geeignetem Fundations- und Verankerungskonzept sowie eingeplanten Redundanzen Tragende Elemente / Bauteile sind im ungestörten Permafrostkörper einzubinden (Hebungskräfte Auftauschicht berücksichtigen) Auswirkungen der Klimaerwärmung auf den Baugrund während der Lebensdauer einer Baute berücksichtigen (Prognose) Zeitabhängige Kriechprozesse berücksichtigen Deformationen während der Nutzungsdauer dürfen nicht zu Nutzungseinschränkungen führen (Gebrauchstauglichkeit) Naturgefahren in Gefährdungsbilder einbeziehen, Schutzmassnahmen wenn nötig planen, Restrisiko abschätzen Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)

16 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Fundationen: gut tragfähiger Baugrund: Einzel- oder Streifenfundamente, Platten- oder Tiefenfundation bei schlecht tragfähigem Baugrund und sehr grosse Lasten, steife Bauweise Streifenfundament (Foto Ruch Architekten)

17 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Verankerungen: Ausführung erfordert Erfahrung; Verankerungsstollen oder schacht für grosse Lasten mit hohem Schadenpotenzial; Reibungsverankerung für kleinere Lasten mit geringem Schadenpotenzial Darstellungen angepasst nach Keusen und Amiguet 1987, resp. Keusen und Haeberli 1983

18 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Aushub: Im Lockergestein mit grösserem Bagger, Abbauhammer oder Sprengungen; Im Fels Aushub mit Abbauhammer oder Sprengaushub (erhöhte Sprengstoffmenge) Baumaterialien: Abbindeprozess von Mörtel und Beton durch Zusatzstoffe beschleunigen, Erwärmung Anmachwasser, Verwendung von Spezialmörtel; Abbindewärme in Bemessung und Produktewahl berücksichtigen; Für Rückfüllarbeiten und Materialaustausch frostbeständiges Material verwenden Aushubarbeiten (Foto SLF) Ankermörtel Mischpumpe (Foto SLF)

19 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Flexible Systeme: Querverschiebbare Seilbahnstützen; Drei Punkte Lagerung, keine Schnittkraftumlagerung, Deformationskorrekturen möglich; Lawinenverbauung, Schneenetze mit schwimmender Fundation und Pendelstützen auf kriechendem Permafrost Querverschiebbare Seilbahnstütze (Foto SLF) Punktlager Stahlkonstruktion (Foto Markus Walser)

20 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Massnahmen zur Verminderung Wärmeeintrag in den Untergrund: Druckfeste Wärmedämmung zwischen warmer Infrastruktur und kaltem Baugrund; Bauliche Massnahmen wie Lufthohlraum, ungeheizte Kellerräume; Aktive und passive Kühlsysteme; Modifikation der Bodenoberfläche wie Vliesabdeckung, Veränderung der Schneedecke, um Permafrost zu erhalten Darstellungen angepasst nach Arenson et al. 2009

21 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Baugrund-Tragfähigkeitsverbesserung: Homogenisierung des Baugrunds durch Materialaustausch; Mörtelinjektion und Vernagelung in zerklüfteten Fels Darstellungen SLF

22 Technische Lösungen Wichtigste Erkenntnisse Stollen und Tunnel: Im eisarmen, standfesten Fels: Ausbruch und Ausbau von Stollen und Tunnel wie im ungefrorenen Fels; Im eisreichen, nicht standfesten Fels und Lockergestein: Ausbruch mit Schildmaschinen oder maschinenunterstütztem Vortrieb mit einem wasserdichten Ausbau; Für kleine, schlecht zugängliche Stollen und Tunnel Sprengvortrieb mit einer Marciavanti Ausbruchsicherung Marciavanti-Stollen (Fotos G&T AG)

23 Überwachung Wichtigste Erkenntnisse Vor, während und nach der Ausführung Regelmässige Überwachung kann als Frühwarnsystem dienen Überwachungssysteme, Messfrequenz und -präzision (Bauablauf, Deformationsempfindlichkeit) Laserscanner (Foto SLF) 3D Laserscanning (Aufnahme Terra Data)

24 Höhere Bau- und Überwachungskosten Wichtigste Erkenntnisse Transportkosten (z.b. Helikopter, Materialseilbahn) Grösserer technischer Aufwand (z.b. Mörtel heizen, Schutzbauten erstellen, Eis entfernen / schützen) Extreme Witterung, kurze Sommersaison, Höhenlage Exponiertes Gelände Aufwändigere Überwachung (dynamische, zeitabhängige Prozesse) Felssicherung (Foto Gasser Felstechnik AG)

25 Schlusspunkte Zusammenfassung Erfolgreiche Realisation eines Bauprojekts ist eine technische und logistische Herausforderung für alle Beteiligten Vorstudie, Standortwahl und Tragwerkskonzept sind von zentraler Bedeutung für nachhaltige Bauobjekte Systematische Überwachung erhöht die Sicherheit während allen Projektphasen, kann als Frühwarnsystem dienen Jedes Bauprojekt im Hochgebirge ist einzigartig, deshalb spezielle, angepasste technische Lösungen erforderlich Höhere Bau- und Überwachungskosten Leitfaden zeigt mögliche Lösungen auf, basierend auf aktuellem, fachlichen und technischen Wissensstand, kein Anspruch allumfassend zu sein Generelle Rezepte für nachhaltiges Bauen im Permafrost sind nicht zweckmässig, aufgrund der hohen Komplexität

26 Schlusspunkte Bezug des Leitfadens Workshop Teilnehmende erhalten 1 Leitfaden gratis (Gutschein) SLF Stand ISSW (CHF 26.-) Bestellungen: (CHF 26.-) Online: (pdf Dokument) Le guide pratique paraîtra prochainement en français

27 Herzlichen Dank Offene Gespräche / Erfahrungen der Interviewpartner Fachliche Begleitgruppe Alle Beteiligten Rifugio Camosci (Foto Giovanni Kappenberger)

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