Weiche Bodenschichten können Erdbebenschwingungen verstärken. Wassergesättigter Sand kann sogar seine Tragfähigkeit verlieren. Warum Gebäude deshalb unterschiedlich auf dasselbe Beben reagieren – und was Ingenieurinnen und Ingenieure dagegen tun können.
Bis zu 60 Grad neigten sich einzelne viergeschossige Wohnhäuser beim Erdbeben von Niigata 1964. Die Gebäude kippten, weil der Boden unter ihnen seine Festigkeit verlor. Manche ließen sich später wieder aufrichten, mit Pfählen unterfangen und weiter nutzen. Die vom US Geological Survey dokumentierten Fälle zeigen ein ungewöhnliches Schadensbild: Ein Haus kann als Baukörper erhalten bleiben und dennoch seinen sicheren Stand verlieren.
Andere Gebäude werden geschädigt, obwohl der Untergrund sie weiterhin trägt. Dort kann der Boden die Erschütterungen so verändern, dass das Tragwerk besonders stark schwingt. Diese beiden Vorgänge – die Verstärkung von Bodenbewegungen und das Versagen des Baugrunds – erklären einen Teil der großen Unterschiede nach einem Erdbeben.
Inhaltsverzeichnis
Warum ein Beben nicht überall gleich wirkt
Die Magnitude beschreibt die Größe eines Erdbebens an seiner Quelle. Welche Bewegung ein Gebäude erreicht, hängt zusätzlich von der Entfernung zum Bruchgebiet, der Herdtiefe und dem Ausbreitungsweg der Wellen ab. Auf den letzten Metern und bis in größere Tiefen unter dem Standort beeinflussen die örtlichen Bodenschichten die Erschütterungen.
Deshalb können selbst nahe beieinanderliegende Häuser unterschiedlich beansprucht werden. Warum auch eine große Herdtiefe nicht automatisch vor Schäden schützt, erläutert der Beitrag über das Erdbeben in Kolumbien und seine Wirkung an der Oberfläche.
Weiche Sedimente verstärken bestimmte Schwingungen
Wenn Erdbebenwellen aus festem Gestein in weichere Bodenschichten gelangen, verändern sich ihre Geschwindigkeit und ihre Schwingungsamplituden. Bestimmte Bewegungen können an der Oberfläche deutlich stärker ausfallen. Welche Frequenzen betroffen sind, hängt unter anderem von der Steifigkeit und der Dicke der Schichten ab.
Auch die Form eines Tals oder Beckens spielt eine Rolle. Am Rand eines Alpentals können nur wenige Meter Sediment über dem Fels liegen, in der Mitte mehrere hundert Meter. Solche Unterschiede verändern die Reaktion des Untergrunds auf ein Beben. Nach Angaben des Schweizerischen Erdbebendienstes können deshalb bereits Siedlungen in wenigen hundert Metern Abstand deutlich unterschiedlich betroffen sein.
Besonders bekannt ist Mexiko-Stadt. Teile der Metropole stehen auf weichen Ablagerungen eines ehemaligen Sees. Beim Erdbeben von 1985 wurden in besonders betroffenen Bereichen dieser Seezone Schwingungen mit einer Periode von etwa zwei Sekunden stark verstärkt. Eine vollständige Hin- und Herbewegung dauerte dort also ungefähr zwei Sekunden. Schwere Schäden traten unter anderem an Gebäuden mit fünf bis zwanzig Geschossen auf.
Weshalb manche Gebäude besonders stark schwingen
Ein Gebäude besitzt eigene Schwingungseigenschaften, die von seiner Masse, Steifigkeit und Bauweise abhängen. Hohe, nachgiebige Bauwerke schwingen meist langsamer als niedrige, steife. Liegen starke Anteile der Bodenbewegung nahe einer Eigenfrequenz des Gebäudes, kann dessen Bewegung besonders groß werden. Fachleute nennen das Resonanz.
Für die Planung genügt daher weder die Geschosszahl noch ein einzelner Wert für die Bodenbeschleunigung. Ingenieurinnen und Ingenieure nutzen unter anderem Antwortspektren. Diese beschreiben, wie stark vereinfachte Bauwerksmodelle mit unterschiedlichen Eigenperioden bei einer festgelegten Dämpfung auf eine Bodenbewegung reagieren.
Wie viel Verformung ein echtes Gebäude verträgt, hängt wiederum von seinem Tragwerk und dessen Ausführung ab. Deshalb können auch Stahlbetonskelette trotz grundsätzlich guter Voraussetzungen für erdbebengerechtes Bauen kollabieren.
Wie aus tragfähigem Sand ein nachgebender Boden wird
Bei der Bodenverflüssigung verliert der Untergrund selbst an Festigkeit. Besonders anfällig sind locker gelagerte, wassergesättigte Sandböden.
Die Körner stützen sich im Boden gegenseitig ab. Unter den wechselnden Belastungen eines Erdbebens tendiert eine lockere Lagerung dazu, dichter zu werden. Das Wasser in den Zwischenräumen müsste dafür ausweichen. Während der schnellen Belastung kann es jedoch häufig nicht ausreichend abfließen. Sein Druck steigt.
Dadurch nimmt der Anteil der Belastung ab, den das Korngerüst über seine Kontakte überträgt. Fachleute sprechen von sinkenden effektiven Spannungen. Der Boden verliert an Scherfestigkeit und kann sich vorübergehend wie eine Flüssigkeit verhalten. Ein Fundament kann einsinken oder sich ungleichmäßig setzen; das Haus darüber gerät in Schieflage.
An Ufern und geneigten Flächen können sich Bodenschichten zudem seitlich verschieben. Solche Bewegungen beschädigen auch Leitungen und Gründungen. Verstärkte Stützen und Wände allein verhindern diese Schäden nicht.
Was am Baugrund verändert werden kann
„Wir wissen seit Langem, wie man Bauwerke für Erdbebenerschütterungen auslegt“, sagt Jörgen Johansson, Fachingenieur am Norwegischen Geotechnik-Institut NGI. Das Zitat stammt aus einem Institutsbeitrag vom 2. September 2026 und wurde aus dem Englischen übersetzt. ngi.no
Die Wahl der Maßnahmen beginnt mit der Untersuchung des Standorts: Welche Schichten liegen unter dem Gebäude, wie dicht sind sie gelagert, wo steht das Grundwasser? Daraus lässt sich ableiten, ob vor allem verstärkte Schwingungen, Bodenverflüssigung oder bleibende Verformungen berücksichtigt werden müssen.
Gegen die Folgen der Bodenverflüssigung kommen je nach Baugrund unterschiedliche Maßnahmen infrage:
- Lockeren Sand verdichten: Eine dichtere Lagerung kann den Widerstand gegen Bodenverflüssigung erhöhen. Die Verbesserung muss die gefährdeten Schichten erreichen.
- Porenwasserdruck begrenzen: Dafür bemessene Drainagen können Wasser während der Belastung ableiten und den Druckaufbau verringern.
- Lasten in tragfähigere Schichten übertragen: Pfähle können verflüssigungsgefährdete Schichten durchqueren und die Gebäudelasten tiefer abtragen. Bei ihrer Bemessung müssen auch mögliche seitliche Bodenbewegungen berücksichtigt werden.
Bei verstärkten Erschütterungen geht es dagegen darum, das Tragwerk auf die örtliche Bodenbewegung auszulegen. Eine gegen Bodenverflüssigung geeignete Gründung ersetzt diese Bemessung nicht.
Erdbebengerechtes Bauen bedeutet dabei nicht, dass ein Gebäude jedes Beben ohne Schäden übersteht. Bei seltenen, starken Erdbeben gehört die Vermeidung eines Einsturzes zu den wesentlichen Schutzzielen. Nach einem solchen Ereignis kann ein Haus stehen geblieben und trotzdem so schwer beschädigt sein, dass es nicht mehr genutzt werden darf.
Quellen
- USGS: Erdbebenfolgen – Bodenverflüssigung und die gekippten Gebäude von Niigata
- NGI: Warum manche Gebäude einstürzen und andere stehen bleiben – Quelle des Johansson-Zitats.
- Schweizerischer Erdbebendienst: Standorteffekte in Alpentälern
- USGS: Standortverstärkung mit Beispiel Mexiko-Stadt (PDF)
- Eucentre: Lokale Bodenreaktion, Bodenverflüssigung und Bemessung
- NIST: Verfahren zur Baugrundverbesserung gegen Bodenverflüssigung (PDF)
Ein Beitrag von:
