Hagel

Situation bei einem plötzlich auftretenden Hagelgewitter

Mehr als die Hälfte aller Gebäude in der Schweiz werden mindestens einmal in 50 Jahren von einem heftigen Hagelschlag mit Hagelkörnern ≥ 3 cm getroffen. Hagelkörner dieser Grösse schlagen mit fast 90 km/h auf. An Gebäuden können sie Kunststoffe und Putze durchschlagen oder Storen und dünne Bleche verbiegen. Massgebend für die Schadenwirkung eines Hagelkorns auf ein Bauteil sind dessen Grösse, Aufprallgeschwindigkeit und Form. Wird die Fassade undicht, kann Wasser eindringen und hohe Folgeschäden verursachen. Ein einzelner Hagelzug kann innert kürzester Zeit viele Gebäude treffen und grosse Schäden verursachen.

Form und Grösse der Eiskörner sowie Art und Intensität der Hagelwirkung werden beeinflusst durch das Klima, die Topographie und die Windverhältnisse. Die Form und der Standort des Bauwerks, die Beschaffenheit seiner Oberflächen sowie die Dachneigung bestimmen die Einwirkung mit. Zuverlässigen Schutz bieten hagelunempfindliche Materialien, hagelgeprüfte Produkte sowie das (möglichst automatische) Einziehen von Storen und Markisen bei Hagelgefahr.

Grundlagen

Schutzziel gegen Hagel

Die nationalen Schutzziele für Neubauten beziehen sich auf die Norm SIA 261/1. Diese Norm legt das 50-jährliche Ereignis fest als Schutzziel für normale Wohn- und Gewerbegebäude (BWK I) gegen Hagel. Dies entspricht vielerorts einem minimalen Hagelwiderstand von HW3 (Hagelkorn von bis zu 3 cm Durchmesser). Zudem sind versicherungsrechtliche Vorgaben zu respektieren. Ab Bauwerksklasse II wird das Schutzziel um eine Hagelwiderstandsklasse erhöht.

Hintergrundinformationen zur Entstehung von Hagel

Ohne Gewitter kein Hagel: Besonders hoch ist die Hagelgefährdung bei Sommergewittern (siehe Gewitterstürme).  Als grobe Faustformel gilt, dass die Hagelhäufigkeit etwa ein Zehntel der Gewitterhäufigkeit beträgt. Am grössten ist die Hagelgefahr in Gebieten, in denen trockenkalte und feuchtwarme Luftmassen aufeinanderstossen sowie entlang der Voralpen, wo die Konvektion topographisch verstärkt wird.

Bildung von Hagelkörnern: Voraussetzung ist eine labile Schichtung der Atmosphäre. Die Entstehung grosser Hagelkörner bedingt hohe Aufwinde in einer Gewitterwolke. Werden die Körner in der Schwebe gehalten, können sie der umströmenden Wolkenluft die enthaltenen Wassertröpfchen und Eiskristalle entziehen und weiterwachsen. Die Aufwinde konzentrieren sich meist in engen Schloten innerhalb der Gewitterwolke. Wenn der Auftrieb in einem Aufwindschlot plötzlich nachlässt, fällt die vorher in Schwebe gehaltene Tropfen- und Hagelmasse schlagartig aus. Dasselbe Gewitterereignis kann mehrere, räumlich voneinander getrennte Hagelschläge auslösen. Ein Hagelzug erstreckt sich im Normalfall über eine Länge von wenigen Kilometern und einer Breite von weniger als einem Kilometer.

In der Form sind Hagelkörner sehr verschieden. Kugelähnliche Körner mit einem Verhältnis von kürzestem zu längstem Durchmesser im Bereich von 0.8 gehören zu den häufigsten Formen. Dennoch sind Formen mit länglichen, abgerundeten oder scharfkantigen Auswüchsen möglich. Diese Sonderformen können beim Aufprall eine spezielle Belastung auf die Gebäudehülle ausüben. Massgebend für die Zuordnung zu einer Hagelkornklasse ist jeweils das Korngewicht.

Beispiele von Hagelkörnern

Rundliches Hagelkorn vom 21.06.2007 im Tessin im Grössenvergleich (Bildquelle: P. Flüeler)
Rundliches Hagelkorn vom 21.06.2007 im Tessin im Grössenvergleich (Bildquelle: P. Flüeler)

Fachbegriffe

Die Hageldauer beeinflusst die Grösse der totalen kinetischen Hagelenergie und die Akkumulationshöhe der Hagelablagerungen. Mit zunehmender Dauer des Hagelschlages kann eine plötzliche Abkühlung der betroffenen Gebäudeoberfläche eintreten. Das Materialverhalten ist diesbezüglich zu untersuchen (Festigkeitsverlust, spröder Bruch).

Die Einfallrichtung bestimmt die betroffenen Fassaden eines Gebäudes, der Einfallwinkel die Intensität der Einwirkung. Bei senkrechtem Anprall zur Oberfläche ist die Belastung für das Bauteil am grössten. Während eines Hagelereignisses können sich die Einfallrichtung und der Einfallwinkel ändern. Im Extremfall ist eine allseitige Einwirkung auf Fassade und Dach möglich.

Die Akkumulationshöhe/Ablagerungshöhe des Hagels sowie das Abrutschen und die Akkumulation von Hagel auf Dächern sind zu berücksichtigen. Insbesondere bei Sheddächern kann dies zu einer erhöhten Belastung führen, Entwässerungseinrichtungen können durch Hagel verstopfen.

Unter einem Hagelzug wird ein zusammenhängende Hagelgebiet uagehend von einer Gewitterzelle verstanden.

Bestimmung des erforderlichen Hagelschutzes

Massgebend für die Schadenwirkung eines Hagelkorns auf ein Bauteil sind dessen Grösse, Aufprallgeschwindigkeit und Form:

Hagelschaden-Skala

Massgebend für die Schadenwirkung für ein Bauteil ist die Grösse eines Hagelkorns. Um Schutzmassnahmen zu ermitteln, braucht es Angaben zur Hagelkorngrösse und zur Häufigkeit.

Die Abgrenzung der Hagelzonen gemäss SIA 261/1 Anhang G ist identisch mit der VKF-Hagelkarte (50-jährlich).

Hagelgefährdung mit einer Wiederkehrperiode von 50 Jahren (Quelle: VKF)
Hagelgefährdung mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren (Quelle: VKF)
Hagelgefährdung mit einer Wiederkehrperiode von 300 Jahren (Quelle: VKF)

Im Projekt «Hagelklima Schweiz» wird eine einheitliche, räumlich differenzierte Hagelklimatologie für die Schweiz erarbeitet, welche ab Mitte 2021 die obige Gefährdungskarten ablösen wird.

Ausgangsgrössen

Bezeichnungen

d [mm]: Durchmesser Hagelkorn
γ [°]: Einfallwinkel vertikal
φ [°]: Einfallrichtung horizontal
α [°]: Dachneigung
ρh [kg/m3]: Dichte von Hageleis (870 kg/m3)
ρl [kg/m3]: Dichte von Luft (1.226 kg/m3)
cd  Luftwiderstandsbeiwert (0.05)
vf [m/s]: Vertikale Fallgeschwindigkeit Hagelkorn (ohne Windeinfluss)
vh [m/s]: Horizontale Geschwindigkeit Hagelkorn infolge Windeinfluss
vw [m/s]: Windgeschwindigkeit (Böen)
vfw [m/s]: Fallgeschwindigkeit Hagelkorn mit Windeinfluss
vAS [m/s]: angenäherte kleinste Schädigungsgeschwindigkeit (Labor)
T [h]: Hageldauer
a [m]: Akkumulationshöhe
qa [N/m2]: Auflast der Hagelablagerung
m [kg]: Masse
Ek [J]: Kinetische Energie eines Hagelkorns
ET [J/m2]: Totale kinetische Hagelenergie pro Teilfläche und Ereignis
HW ­ Hagelwiderstandsklassen (HW1 bis HW5)
g [m/s2]: Erdbeschleunigung (10 m/s2)

 

Gefährdungsbilder

Bei Hagel gibt es gibt im Wesentlichen zwei Gefährdungsbilder: Ohne Wind wirkt der Hagelschlag primär auf die Dachflächen ein, mit Wind (Normalfall) zusätzlich auf windzugewandte Dach- und Fassadenflächen.

Einwirkungen

Zur Bemessung bedarf es Angaben zur Hagelkorngrösse, Häufigkeit und Wind. Die Hagelkorngrösse kann aus der Karte der Hagelzonen entnommen werden (SIA 261/1).

Kinetische Energie eines Hagelkorns

Die kinetische Energie eines frei fallenden Hagelkorns berechnet sich wie folgt:

Vertikale Fallgeschwindigkeit eines Hagelkorns ohne Windeinfluss

Die Fallgeschwindigkeit vf der Hagelkörner kann anhand der nachfolgenden Formel abgeschätzt werden mit dem Hagelkorndurchmesser d in [mm] als massgebende Eingangsgrösse:

Zu erwartende Endgeschwindigkeiten, Massen und Energien für verschiedene Korndurchmesser (Strömungswiderstand Luft: cd = 0.50, Dichte der Luft ρl = 1.226 kg/m3, Dichte des Hagelkorns ρh = 870 kg/m3):

Übersicht Endgeschwindigkeiten, Massen und Energien

Horizontale Geschwindigkeit eines Hagelkorns infolge Windeinflusses

Aufgrund von realen Fallgeschwindigkeitsanalysen ist bekannt, dass die horizontale Geschwindigkeit der Hagelkörner im Mittel rund einen Drittel der vertikalen Fallgeschwindigkeit beträgt. Je nach Grösse der Sturmböen sind höhere horizontale Geschwindigkeiten möglich. Gemäss den Ausführungen in der Rubrik Sturm ist ersichtlich, dass kugelförmige Trümmer eine horizontale Geschwindigkeit von einem Drittel der Windgeschwindigkeit (Böen) annehmen können.

Die Auflast der Hagelablagerung auf Bauten ist:

Die Auflast durch Hagelablagerungen ist in der Regel kleiner als die Bemessungslast infolge Schnee (SIA-Norm 261).

Totale Hagelenergie

In der Meteorologie und Landwirtschaft wird sehr oft die totale Hagelenergie pro m2 sämtlicher Hagelkörner während eines Ereignisses in [J/m2] als weiterer Parameter zur Beschreibung der Hagelintensität verwendet. Diese totale Hagelenergie kann anhand von Radardaten oder auch nachträglich, aufgrund der Anzahl Einschläge, Korngrössen und Windrichtung, abgeschätzt werden.

Schadenarten/-ursachen

Typische Hagelschäden an Gebäuden

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Schadenklassen bei Hagel

Hagelschlag kann die Baumaterialien der Gebäudehülle durch Oberflächen-, Form- oder Strukturschäden beeinträchtigen.

Schadenklassen

Definition

Erscheinung

Oberflächenschaden

Beschädigung der Oberfläche des Baumaterials durch Aufrauung, Abtragung, Abplatzung

Reversible Veränderung
Aufrauung
Abtragung
Abplatzung

Formschaden

Beschädigung des Baumaterials durch Deformation

Dellen
Verbiegung

Strukturschaden

Beschädigung des Baumaterials durch Risse, Brüche, Absplitterung oder Perforation

Risse
Brüche
Absplitterungen
Perforation

Oberflächenschäden infolge Hagel

Oberflächenschaden (Farbabtragung) infolge Hagel. (Bildquelle: AGV)
Oberflächenschaden (Abschlagung) infolge Hagel an einem Putz. (Bildquelle: AGV)

Formschäden infolge Hagel

Formschaden infolge Hagel bei einem Rolladen. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden (Dellen) infolge Hagel. (Bildquelle: AGV)

Strukturschäden infolge Hagel

Strukturschaden infolge Hagel an einer Bedachung. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden infolge Hagel an Oberlichtern. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden infolge Hagel aneinem Oberlicht. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden (Absplitterung) infolge Hagel an Ziegeln. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden (Absplitterung) infolge Hagel an Ziegeln. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden (Perforation) infolge Hagel eines Dachfensters. (Bildquelle: AGV)
Strukturschaden (innerer Bruch) infolge Hagel an Dachfenstern. (Bildquelle: AGV)
Schutzmassnahmen

Mit hagelsicheren Baumaterialien kann die Gebäudehülle sehr gut vor Hagelschlag geschützt werden. Als Richtgrösse wird ein minimaler Hagelwiderstand von HW3 empfohlen (siehe Hagelregister). Zudem sollten sensible Bauteile wie Lamellenstoren oder Kunststoffe nie direkt dem Hagel ausgesetzt sein. Vorschläge für Schutzmassnahmen zu einzelnen Bauteilen und zum konzeptionellen Vorgehen: Naturgefahren-Check

Literatur
Allgemein

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