Hochwasser

Erhöht gebautes Gebäude ist im Sockelbereich robust und wasserdicht

Nach heftigen oder lang anhaltenden Niederschlägen können Bäche, Flüsse und Seen über die Ufer treten und Überschwemmungen verursachen. Wasser und Schwemmgut entwickeln dabei enorme Kräfte und können Gebäude stark beschädigen. Auch Feuchtigkeit und Schmutz hinterlassen grosse Schäden am Innenausbau und an technischen Einrichtungen. Besonders in Untergeschossen, Liftanlagen und auf Fluchtwegen sind Personen gefährdet.

Kleinere Gewässer und insbesondere Wildbäche treten oft binnen Minuten über die Ufer. Auch bei den meisten Talflüssen beträgt die Vorwarnzeit bestenfalls einige Stunden. Nur bei einigen grossen Flüssen und Seen ist eine technisch-organisatorische Vorwarnung der Betroffenen möglich und eingerichtet. Die Eignung mobiler Schutzmassnahmen hängt deshalb weitgehend von der Gefahrenerkennung der Betroffenen und deren Organisation ab. Permanent installierte baulich-konzeptionelle Massnahmen bieten den zuverlässigsten und wirksamsten Schutz und sind deshalb meist die beste Option.

Naturgefahren-Check
Normen und Richtlinien

Grundlagen

Schutzziel Hochwasser

Die nationalen Schutzziele für Neubauten beziehen sich auf die Norm SIA 261/1. Diese Norm legt das 300-jährliche Ereignis fest als Schutzziel für normale Wohn- und Gewerbegebäude (BWK I) gegen gravitative Naturgefahren (Hochwasser, Erdrutsch, Murgang, Steinschlag, Lawine). Zudem sind die kantonalen und kommunalen Vorgaben zu respektieren, wobei diese die Anforderungen der Norm SIA 261/1 in der Regel nicht übersteigen. Ab Bauwerksklasse II sind höhere Anforderungen zu erfüllen und zusätzlich auch Extremhochwasser (EHQ) zu berücksichtigen.

Die Norm SIA 261/1 schliesst im Überbegriff «Hochwasser» auch Überschwemmungen durch Oberflächenabfluss explizit ein. Konkret muss das Gebäude bis zu einem 300-jährlichen Ereignis auch in Untergeschossen trocken und intakt bleiben.

Fachbegriffe

Die Anstiegsgeschwindigkeit beschreibt die Schnelligkeit, mit der das Wasser bei Überschwemmungen ansteigt. Dieser Wert ist entscheidend für die Einschätzung der Bedrohung von Personen in und ausserhalb von Gebäuden. Bei Überschwemmungen wegen Verklausung (Verstopfung durch Schwemmgut bei Brücken, Durchlässen und Engstellen), bei Dammbrüchen oder der Verlagerung eines Gerinnes ist die Anstiegsgeschwindigkeit hoch.

Bauwerksklasse: Bauwerke werden gemäss SIA 261 Ziffer 16.3 in drei Bauwerklassen (BWK I-III) eingeteilt. Die Bauwerksklasse dient in einfacher Art und Weise zur Abstufung des Schutzgrades entsprechend des Risikos.

Bedeutungsbeiwert: Beiwert zur Gewichtung der Bauwerksklasse für die Bemessung.

Die Fliessgeschwindigkeit kann bei Überschwemmungen in steilem Gelände (≥ 5-10 %) über 2 m/s erreichen. So hohe Geschwindigkeiten treten insbesondere entlang kanalisierter Bereiche auf (z.B. Strassenzüge und Trockenrinnen). In flacherem Gelände (< 2 %) reduziert sich die Geschwindigkeit auf deutlich unter 2 m/s.

Höhenzuschlag: Zuschlag zur Gewichtung der Bauwerksklasse für die Bemessung.

Die Rückstauebene ist die höchste Ebene, bis zu der das Wasser in einer Entwässerungsanlage ansteigen kann. Es wird unterschieden zwischen: a) errechneter Rückstauebene gemäss Generellem Entwässerungsplan (GEP) und b) maximal möglicher Rückstauebene. Letztere entspricht der maximalen Fliesshöhe.

Der Schutzgrad wird durch die Einteilung des Bauwerks in eine Bauwerksklasse (BWK) I, II oder III gemäss SIA 261 festgelegt.

Die Stauhöhe gibt an, wie stark sich die Fliesshöhe beim Zufliessen auf ein Hindernis zusätzlich erhöht.

Die Überschwemmungsdauer beginnt zum Zeitpunkt der Benetzung mit Wasser und endet, wenn sich das Wasser vollständig zurückzieht.

Vorwarnzeit: Dauer von der Gefahrenerkennung bis zum Überschwemmungsbeginn.

Die Wellenhöhe hwellen bei Seehochwasser ist zu berücksichtigen.

Die Wirkungshöhe hwi wird ermittelt, indem die Fliesshöhe hf mit dem Höhenzuschlag hg, der Stauhöhe hstau und der Wellenhöhe addiert werden.

Abklärung der Gefährdung und Festlegung der Schutzhöhe

Für die Bestimmung von Einwirkungen und die Bemessung von Objektschutzmassnahmen bedarf es der folgenden Intensitätsangaben:

  • Fliesshöhe,
  • Fliessgeschwindigkeit,
  • Mächtigkeit von Feststofferosionen und -ablagerungen,
  • Abmessung und Dichte von Treibgut.

Diese Angaben können den Intensitäts- und Fliesstiefenkarten entnommen werden. Existieren keine Intensitätsangaben, so sind diese durch eine Fachperson zu bestimmen. Allenfalls sind zusätzliche Untersuchungen zur lokalen Gefährdung notwendig.

Ausgangsgrössen
Symbol / Einheit Bezeichnung

Ak [kN]

Statische Ersatzkraft bei Anprall

cd [–]

Widerstandsbeiwert

g [m/s2]

Erdbeschleunigung (9.81 m/s2)
h [m] Dicke der Betonplatte, Höhe Betonbalken

ha [m]

Ablagerungshöhe von Feststoffen

he [m]

Einbindetiefe des Bauwerks im Baugrund

hf [m]

Fliesshöhe

hk [m]

Kolktiefe

hru [m]

Tiefe der Gleitflächentiefe der Uferrutschung

hstau [m]

Stauhöhe bei Hindernissen

hu [m]

Tiefe der Ufererosionen
l [m] Spannweite
m [kg] Masse einer Einzellast

qf [N/m2]

hydrodynamischer Druck (Hochwasser, Murgänge)

qfa [N/m2]

Druck infolge Feststoffablagerungen

qw [N/m2]

Hydrostatischer Druck

qwe [N/m2]

Hydrostatischer Druck auf Höhe der Einbindetiefe

qwf [N/m2]

Hydrostatischer Druck auf Höhe des Terrains
t [h] Überschwemmungsdauer

ti [h]

Interverntionszeit

tv [h]     

Vorwarnzeit (Dauer von Gefahrenerkennung bis Überschwemmungsbeginn)

va [m/h]

Anstiegsgeschwindigkeit

vf [m/s]

Fliessgeschwindigkeit

ρfa [kg/m3]

Dichte der Feststoffablagerung

ρhw [kg/m3]

Dichte des Hochwassers
Gefährdungsbilder

Gefährdungsbild 1: Statische Überschwemmung

Die statische Überschwemmung weist eine geringe Fliessgeschwindigkeit (vf < 1 m/s) auf ohne dynamische Beanspruchungen. Die Einwirkung ergibt sich durch den hydrostatischen Druck qw auf die wasserdichte Gebäudehülle. Dieser wächst mit zunehmender Tiefe an. Es wird angenommen, dass sich der Bodenkörper während der Überschwemmung vollständig sättigt. Beim hydrostatischen Druck auf die Bodenplatte der Baute handelt es sich um den Auftrieb. An grösseren Gewässern wie Seen ist zusätzlich die Wellenbildung zu berücksichtigen.

Hochwasser Gefährdungsbild 1: statische Überschwemmung

Gefährdungsbild 2: Dynamische Überschwemmung

Die dynamische Überschwemmung weist mittlere bis hohe Fliessgeschwindigkeiten (vf > 1 m/s) auf. Als Einwirkung sind zusätzlich zum hydrostatischen auch der hydrodynamische Wasserdruck zu berücksichtigen. Die Geschwindigkeitsverteilung wird über die gesamte Fliesshöhe hf als konstant angenommen (mittlere Fliessgeschwindigkeit). Dadurch ergibt sich ein gleichmässig verteilter, konstanter Druck qf infolge hydrodynamischer Beanspruchung an der angeströmten Wand. Der Anprall mitgeführter Feststoffe (Baumstämme, Geschiebe) wird mit der statischen Ersatzkraft Ak berücksichtigt.

Hochwasser Gefährdungsbild 2: dynamische Überschwemmung

Gefährdungsbild 3: Dynamische Überschwemmung mit Feststofferosion (Kolk) und -ablagerung

Bei hohen Fliessgeschwindigkeiten (vf > 2 m/s) führt die Dynamik des Abflusses zu Feststofferosionen hk (Kolk) und Feststoffablagerungen ha. Dies tritt v.a. bei Bauten entlang stark kanalisierter, geneigter Abflusswege auf (Strassenzüge in Siedlungen). Die hydrostatische und hydrodynamische Wirkung des fliessenden Wassers und die Stosskraft mitgeführter Feststoffe sind analog zu Gefährdungsbild 2 zu berücksichtigen. Es treten Kolkungen bis zur Tiefe hk auf, welche die Fundation von Bauten freilegen oder sogar unterspülen können. Durch Feststoffablagerungen entstehen Auflasten qfa, welche für Tiefbauten massgebend werden (z.B. Tiefgaragen).

Hochwasser Gefährdungsbild 3: dynamische Überschwemmung mit Feststofferosion (Kolk)

Gefährdungsbild 4: Ufererosion und Gerinneverlagerung

Durch die Seitenerosion wird der angrenzende Gebäudeteil direkt angeströmt. Die Ufererosion ereignet sich bis auf eine Tiefe hu mit resultierender Gerinneausweitung, resp. -verlagerung. So lange die Einbindetiefe he grösser ist als hu, ist die Fundation nicht gefährdet. Die Einwirkungen sind daher der hydrostatische und hydrodynamische Wasserdruck  sowie die Anprallkraft mitgerissener Einzelkomponenten (Ak).

Hochwasser Gefährdungsbild 4: Ufererosion und Gerinneverlagerung

Gefährdungsbild 5: Uferrutschung

Die Ufererosion ereignet sich in Form einer Rutschung. Diese häufig durch Tiefenerosion des Flussbettes ausgelösten Rutschungen können weit ausgreifen und sind je nach topographischen und geologischen Verhältnissen oberflächlich bis tiefgründig. Die Einwirkung auf die Baute entspricht jener bei Rutschungen mittlerer oder tiefer Gleitfläche hru. Erreicht das Hochwasser die Baute, so sind die Einwirkungen gemäss Gefährdungsbild 4 ebenfalls zu berücksichtigen.

Fachleute aus FAN und KOHS haben eine «Empfehlung zur Beurteilung der Gefahr von Ufererosion an Fliessgewässern» erarbeitet (Empfehlung Arbeitsgruppe, Anhang A: Anwendungsbeispiele, Anhang B: Arbeitshilfe.

Hochwasser Gefährdungsbild 4: Ufererrutschung

Gefährdungsbild 6: Grundwasser

Steigt das Grundwasser nach anhaltenden Niederschlägen oder infolge Hochwasser an, kann es über undichte Öffnungen oder die undichte Gebäudehülle in Untergeschossen das Gebäude fluten. In Extremfällen kann Grundwasser bis über die Terrainoberfläche ansteigen und über das Erdgeschoss ins Gebäude gelangen. Ein Anstieg des Grundwassers kann auch zum Aufschwimmen des Gebäudes und damit zu statischen Problemen führen.

Überflutung infolge aufsteigendem Grundwasser. Das Wasser durchdringt Bodenplatte, Kellerwände und gelangt über Öffnungen ins Haus.

Gefährdungsbild 7: Kanalisationsrückstau

Der Rückstau im Kanalisationssystem führt zu einer Flutung des Gebäudes.

Überschwemmung infolge überlasteter Kanalisation

Eintrittswege von Wasser in Gebäude

Eintrittswege von Wasser im Fall einer Überschwemmung
  1. Wasser durchdringt Kellerwände / Bodenplatte
  2. Wasserrückstau aus der Kanalisation
  3. Wasser dringt durch undichte Hausanschlüsse (Rohrwege, nicht druckwasserdicht ins Mauerwerk eingebettete Kabel) oder durch undichte Fugen
  4. Wasser strömt durch Lichtschächte und Kellerfenster
  5. Wasser durchsickert die Aussenwand
  6. Wasser dringt durch Tür- und Fensteröffnungen
  7. Wasser / Feuchtigkeit durchdringen die Fassade bei starkem Regen mit Sturm
  8. Wasser dringt über das Dach und den Balkon in das Gebäude ein
  9. Hagel / Blätter verstopfen die Entwässerungseinrichtungen und führen so zum Eindringen von Wasser in das Gebäude (siehe Punkte 4, 5 und 6)

Als Folge von kurzzeitigem Stau bei starkem Regen auf Flachdächern und Balkonen kann Wasser in Räume eindringen oder die Konstruktion beschädigen (Leichtbauweise).

Einwirkungen

Wirkungshöhe

Die Wirkungshöhe hwi ist wie folgt definiert:

Der Höhenzuschlag hγ wird gemäss SIA 261/1, Ziffer 3.2.1 bestimmt.

Die Wellenhöhe hwellen bei Seehochwasser wird in der Regel mit einem Wert von 0.5 m eingesetzt. Davon abweichende Wellehöhen sind in Abhängigkeit von den lokalen Gegebenheiten zu wählen und zu begründen (z.B. anhand von Wellenkarten, Wellenatlas).

hydrostatischer und hydrodynamischer Druck

Der hydrostatische Druck infolge Hochwasser wird wie folgt ermittelt:

hydrostatischer Druck auf Höhe der überfluteten Terrainoberfläche:

hydrostatischer Druck auf Höhe der Fundation:

Es gelten folgende Richtwerte der Dichte von Hochwasser ρhw:

  • Geringer Feststoffanteil: ρhw = 1100 [kg/m3]
  • Hoher Feststoffanteil: ρhw = 1400 [kg/m3]

Der hydrodynamische Druck auf eine angeströmte Wand beträgt:

Typische Richtwerte für den Widerstandsbeiwerten cd sind:

  • 1.25-1.5 (wenn angeströmte Wandlänge / Fliesshöhe ≤ 40)
  • 1.5-2.0 (wenn angeströmte Wandlänge / Fliesshöhe > 40)

Stauhöhe

Die Stauhöhe ergibt sich durch das Aufstauen des strömenden Wassers vor einem Hindernis (vgl. Suter, 2013). Diese Höhe beträgt maximal:

Diese Formel ist gültig, sofern die überflutete Fläche sehr breit und das Hindernis relativ schmal ist. Bei grossen Hindernissen in Bezug auf die überflutete Fläche müssen ergänzende hydraulische Untersuchungen durchgeführt werden.

Kolktiefe

Die Kolktiefe hk an überschwemmungsgefährdeten Gebäuden kann nach Kohli (1998) detailliert bestimmt werden, wenn neben der Fliessgeschwindigkeit und der Fliessshöhe auch die Überschwemmungsdauer und die Kornverteilung des gefährdeten Erdmateriales bekannt sind. Eine detaillierte Berechnung ist bei nicht unterkellerten Gebäuden notwendig.

Beispiele zur Berechnung der Kolktiefe

Bei unterkellerten Gebäuden ist die Gefährdung durch Unterkolkung v.a. für Gebäude entlang des Flussbettes von Bedeutung (Gefährdungsbild 4).

Auflast durch Feststoffablagerungen:

Durch die Ablagerung von Feststoffen können auf das Bauwerk wirkende vertikale und horizontale Erddrücke entstehen. Der vertikale Erddruck (Auflast) beträgt:

Richtwert der Dichte von Feststoffablagerungen: ρfa = 2000 kg/m3

Anprallkraft von Einzelkomponenten:

Werden Blöcke oder andere Feststoffe mitgerissen, so ist zusätzlich zum Druck aus hydrostatischer und hydrodynamischer Beanspruchung eine Anprallkraft solcher Einzelkomponenten zu berücksichtigen.

Bei Anprall von Einzelkomponenten aus Hochwasser gelten für die Dichtigkeit des Bauwerks höhere Anforderungen, da die Tragwerksverformungen im elastischen Bereich bleiben müssen. Die statischen Ersatzkräfte Ak sind dementsprechend höher anzusetzen.

Statische Ersatzkräfte infolge Anprall bei Hochwasser und Murgängen
Masse m [kg]

Geschwindigkeit vn [m/s]

Energie Etrans [kJ]

statische Ersatzkraft Ak [kN]
(Durchstanzen | Biegung)

100

2

0.2

40 | 2

100

4

0.8

150 | 9

100

6

1.8

290 | 14

500

2

1

190 | 12

500

4

4

770 | 46

500

6

9

1440 | 70

1000

2

2

390 | 23

1000

4

8

1500 | 90

1000

6

18

2900 | 140

Empfohlene statische Nachweise: Je nach Situation sind statische Nachweise in Bezug auf Auftrieb, Grundbruch, Kippen, Gleiten usw. zu erbringen (siehe Kölz/In-Albon 2012).

Schadenarten-/ursachen

Nässe und Schmutz:

Bei Vernässung und Ablagerung von Schlamm verlieren Gebäudeausbauten (Böden, Wände, Decken), Installationen und Gebäudeinhalte ganz oder teilweise ihren Wert. In Einzelfällen kann auch das Tragwerk betroffen sein. Vernässung wirkt in der Regel über die maximale Überschwemmungshöhe hinaus: Wegen der Kapillarität in Wänden und durch das Verdunsten von Wasser sind auch Bereiche oberhalb der Überschwemmungshöhe betroffen. Alle löslichen und nicht löslichen Stoffe, die das Wasser mitführt, verursachen erhebliche Verschmutzung. Produkte aus Holz, Papier, Textilien oder Gips erleiden Totalschaden, wenn sie Wasser aufsaugen. Kurzschlüsse bei elektrischen Einrichtungen können zudem Brände auslösen, technische Einrichtungen zerstören und Personen gefährden. Weitere Schäden können durch chemische Reaktionen mit gelagerten Stoffen oder durch die Einlagerung von Fest- und Geruchsstoffen entstehen.

Schutzmassnahmen

Die Meidung von überschwemmungsgefährdeten Gebieten und Muldenlagen sowie die konsequente Planung des Wasserabflusses vom Gebäude weg (Terraingestaltung!) und die Höhenlage des Erdgeschosses gehören zu den wichtigsten Schutzmassnahmen vor Hochwasser.

Zusätzlich stehen folgende drei Schutzkonzepte zur Wahl. Massgebend für die Planung von Neubauten ist die Höhe des zu erwartenden Wasserspiegels beim 300-jährlichen Hochwasser (Schutzhöhe, bei dynamischem Fliessverhalten Geschwindigkeitshöhe berücksichtigen!). Temporäre Massnahmen sind nur bei langer Vorwarnzeit (mehrere Stunden bis Tage) sinnvoll und erfordern eine einwandfreie und langfristig gesicherte Notfallorganisation.

  • Abschirmung: Das Wasser wird mittels Barrieren (Dämme, Betonmauern) oder durch Höherlegung des Gebäudes ferngehalten.
  • Abdichtung: Das Gebäude wird wasserdicht als „weisse oder schwarze Wanne“ ausgebildet und vorhandene Öffnungen über der Schutzhöhe angeordnet. Schäden entstehen lediglich durch Verschmutzungen der Gebäudehülle. Die Fassade ist im benetzten Bereich nässeunempfindlich auszubilden.
  • Nasse Vorsorge: Die Überschwemmung des Gebäudes wird bewusst zugelassen um noch grössere Schäden infolge Auftriebs (Bruch der Bodenplatte) zu verhindern. Durch die Verwendung wasserunempfindlicher Materialien beim Innenausbau und durch angepasste Nutzung wird der Schaden gering gehalten.
Generell ist zwischen permanent und temporär wirkenden Vorkehrungen zu unterscheiden.

Vorschläge für Schutzmassnahmen zu einzelnen Bauteilen und zum konzeptionellen Vorgehen: Naturgefahren-Check

Literatur
Allgemein

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Egli, Th. (2005): Wegleitung Objektschutz gegen gravitative Naturgefahren. Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, Bern.

PLANAT (2009): Risikokonzept für Naturgefahren. Nationale Plattform Naturgefahren, Bern.

Präventionsstiftung der Kantonalen Gebäudeversicherer (2014): Prevent-Building – eine Methodik und ein Werkzeug zur Beurteilung der Wirksamkeit und Zumutbarkeit von Objektschutzmassnahmen an Gebäuden gegen gravitative und meteorologische Naturgefahren. Bericht Phase 1 mit Anpassungen aus Phase 2. Arbeitsgemeinschaft Prevent-Building: WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Egli Engineering AG, Geotest AG, B,S,S,. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)

Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.

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Hochwasser / Murgänge

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Kölz, E., In-Albon, Ch. (2012): Statische Probleme bei Hochwasserschutzmassnahmen, Risk&Safety AG, Aarau. (unveröffentlicht).

Rickenmann, D. (2014): Methoden zur quantitativen Beurteilung von Gerinneprozessen in Wildbächen. WSL Berichte, Heft 9, 2014. ISSN 2296-3456

Rickenmann, D. (1995): Beurteilung von Murgängen. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 48, Zürich.

Suter, U. (2013): Definition der Schutzhöhe beim Objektschutz Hochwassergefahren - Regelanwendung, Suter Hydro Engineering AG, Meilen.

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Vanomsen, P. (2011): Wasserdichte Türen und Fenster – Übersicht der Normenwerke und ausgewählte Bauprodukte, Egli Engineering AG, St. Gallen und Bern.

VDI (2006): Schutz der Technischen Gebäudeausrüstung - Hochwasser - Gebäude, Anlagen, Einrichtungen. Verein Deutscher Ingenieure, VDI Richtlinie 6004, Düsseldorf.

VKF/BWG (2004): Entscheidungshilfe Mobiler Hochwasserschutz. Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, Bern, Bundesamt für Wasser und Geologie, Biel.

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