Tremblements de terre

Source: Association des établissements cantonaux d'assurance incendie (AEAI) / Martin Jordi

Bases

Des tremblements de terre peuvent survenir partout, en tout temps et sans avertissement. Des exemples historiques prouvent que des séismes importants peuvent se produire en Suisse et ils pourraient aujourd’hui avoir des répercussions importantes sur la société et l’économie. Le mode de construction des bâtiments est le facteur le plus décisif quant aux dommages en cas d’événement. Construire systématiquement aux normes parasismiques reste ainsi la mesure la plus efficace pour limiter le risque sismique. Il faut en outre respecter de manière rigoureuse les normes de construction actuelles (en particulier la SIA 261 et la SIA 269/8). Demandez à vos partenaires dans la construction qu’ils vous fournissent les preuves correspondantes ! Les bâtiments non construits aux normes parasismiques sont menacés par un risque potentiel d'effondrement et peuvent subir des dommages considérables même en cas de faibles secousses. Construire aux normes parasismiques ne coûte pas très cher si l'on y pense suffisamment tôt durant la planification. Une collaboration précoce entre les architectes et les ingénieurs est essentielle.

Objectif de protection recommandé : Le bâtiment protège les personnes qui s'y trouvent jusqu’à un séisme survenant tous les 475 ans. La planification parasismique vise à garantir la protection des personnes, la limitation des dommages, la protection de l’environnement et le bon fonctionnement d'ouvrages importants sous l'effet du séisme de dimensionnement.

Effet des séismes sur les bâtiments

Les séismes sont provoqués par des glissements brusques dans les zones de rupture de la croûte terrestre, qui génèrent des ondes sismiques. Sous l’influence de ces ondes, le sol bouge rapidement dans toutes les directions. Les fondations des ouvrages sont contraintes de suivre ces mouvements du sol. Mais l’inertie de masse d’un bâtiment s’oppose à ces mouvements et les étages supérieurs veulent « rester où ils sont ». Cette sollicitation dynamique du sol fait osciller les bâtiments. En fonction de l’intensité de la secousse et du mode de construction du bâtiment, des déformations plastiques du système porteur peuvent survenir, avec une rupture par endroits voire l'effondrement du bâtiment.

Les mouvements horizontaux peuvent se révéler particulièrement problématiques pour les bâtiments si le système porteur a été dimensionné surtout pour le transfert de charges lourdes agissant verticalement. De plus, les éléments de construction non porteurs comme les éléments de façade et les équipements (par ex. étagères) et installations techniques ne sont souvent pas (suffisamment) protégés contre les mouvements horizontaux et peuvent se renverser ou tomber.

Séismes historiques en Suisse

Le Service Sismologique Suisse SED enregistre chaque année 1000 à 1500 séismes. Environ 20 de ces tremblements de terre sont ressentis par la population, souvent à partir d'une magnitude de 2,5. La magnitude indique la puissance d’un tremblement de terre, c'est-à-dire l’énergie libérée par ce dernier. L'intensité (échelle à 12 degrés en chiffres romains) décrit la force locale des secousses sur la base de l'ampleur de la destruction (édifices, paysage) et de la perception subjective de l'observateur. L’intensité d'une secousse dépend du lieu où elle survient et est définie par la magnitude du séisme, la distance par rapport au foyer du séisme et la géologie (sous-sol).

Impacts possibles d’un tremblement de terre suivant son intensité et sa magnitude (Source : SED)
Impacts possibles d’un tremblement de terre suivant son intensité et sa magnitude (Source : SED)

En Suisse, des séismes de forte ampleur peuvent survenir partout et en tout temps. Tous les 8 à 15 ans environ, il faut compter subir un séisme d’une magnitude de 5, comme en 1991 près de Vaz (GR). Avec une telle intensité, des dommages modérés surviennent, mais de grandes fissures peuvent aussi se produire dans les murs, et les parois intermédiaires peuvent s’effondrer. Il faut s'attendre à ce qu’un tremblement de terre de magnitude 6 survienne tous les 50 à 150 ans et puisse causer des dégâts aux bâtiments non parasismiques voire provoquer leur effondrement. Le dernier séisme de cet ordre de grandeur s’est produit en 1946 près de Sierre (VS). Le séisme le plus fort recensé en Suisse a touché Bâle en 1356 avec une magnitude de 6,6 environ. Si cet événement se reproduisait aujourd’hui, il pourrait être la cause de 2000 décès et blesser 20 000 personnes. De plus, un demi-million de personnes pourraient se retrouver sans abri, au moins à court terme, et 150 000 bâtiments seraient moyennement à fortement endommagés. Les dommages matériels atteindraient 50 à 100 milliards de francs suisses.

Tremblements de terre historiques en Suisse

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Termes techniques

Classes de terrains de fondation : La norme SIA 261 définit six classes de terrains de fondation A – F pour déterminer l'effet du séisme compte tenu des conditions géologiques locales.

Classes d’ouvrages : Caractérisation des ouvrages (CO I-III) selon les normes SIA 261 et SIA 269/8 compte tenu de la capacité d'occupation, de l’importance de l’édifice pour la collectivité et des risques potentiels pour l'environnement en cas de dommages.

Coefficient d’importance : Facteur de pondération des effets d'un séisme sur la base de la classe d’ouvrage selon la norme SIA 261.

Sensible à l'accélération / résistant à l'accélération : Élément de construction qui réagit de manière sensible / résistante à des effets d’inertie.

Rigide en flexion : Élément de construction qui fléchit peut s’il est soumis à une charge.

Liquéfaction du sol : Sous l’influence des vibrations, le sous-sol perd subitement sa capacité portante et se comporte comme un liquide. Les sols sablonneux et limoneux saturés d'eau et peu compacts sont particulièrement concernés.

Joint de dilatation : Séparation constructive de systèmes porteurs ou de parties de bâtiment pour prévenir les fissures de contrainte.

Ductile : Caractéristique d’un matériau ou d’un élément de construction qui se déforme sous la contrainte, sans rompre, de manière plastique (donc avec une modification durable de sa forme).

Épicentre : Lieu situé à la surface de la Terre, perpendiculairement au-dessus de l’hypocentre.

Fréquence propre : Fréquence à laquelle un objet oscille après avoir reçu une impulsion. La fréquence propre des bâtiments dépend de leur mode de construction, des matériaux utilisés et de la hauteur (pour les bâtiments, la fréquence propre est généralement comprise entre 1 et 10 Hz). La fréquence à laquelle un objet oscille librement est aussi appelée fréquence de base.

Aux normes parasismiques : Qui respecte les règles de base de la construction parasismique et les exigences des normes.

Risque sismique : Produit du danger sismique, du potentiel d'amplification du sous-sol, des valeurs exposées et de la vulnérabilité des valeurs concernées.

Facteur de conformité : Quotient calculé à partir de l’effet du séisme, qui engendre la rupture d'un élément de construction, et de la valeur d'examen de l'effet du séisme (SIA 269/8).

Aptitude au service : Terme servant à caractériser l’aptitude au fonctionnement d’un édifice selon les normes SIA 260 et suivantes sur les structures porteuses.

Hypocentre : Localisation du foyer du séisme en sous-sol, d’où les ondes sismiques se propagent.

Dans le plan : Sollicitation parallèle au plan (par ex. en direction du mur)

Intensité : décrit les effets d'une secousse sur les personnes et les bâtiments (dommages) sur une échelle à 12 niveaux compte tenu de la distance par rapport au foyer du séisme et des caractéristiques du sous-sol. En Europe, on utilise l’échelle EMS-98.

Dimensionnement en capacité : Méthode moderne de dimensionnement de systèmes porteurs ductiles (nouveaux bâtiments) qui conduisent à un comportement plastique adapté sous les effets déterminants d'un séisme.

Dimensionnement conventionnel / dimensionnement basé sur la force : Méthode de mesure qui prévoit peu ou pas de secteurs ductiles au niveau du système porteur.

« Piliers courts » (short column effect) : Rupture d'un pilier en cas de sollicitation par des forces transversales et en cas de longueur librement déformable.

Magnitude : Indique l’énergie libérée lors d’un séisme sur une échelle logarithmique. L’augmentation de la magnitude d’une unité de grandeur correspond à la libération d'environ 30 fois plus d’énergie. Contrairement à l’intensité, la magnitude est une caractéristique d'un séisme précis indépendante de l'emplacement.

Hors du plan : Sollicitation perpendiculaire au plan (par ex. de la paroi ou du plafond)

Déformations plastiques : Déformations permanentes (du système porteur)

Microzonage sismique spectral : Recherches visant à quantifier les effets locaux et à mettre à disposition des spectres de réponse propres à l’emplacement. On distingue les études ponctuelles concernant l’emplacement (pour un emplacement en particulier) et les études de microzonage sismique spectral (pour une zone plus étendue).

Édifice rigide / mou : En fonction du degré de rigidité de l’édifice, les forces qui s'appliquent engendrent des déformations faibles / importantes.

Sécurité structurale : Sécurité quant à la rupture du système porteur selon les normes SIA 260 et suivantes applicables aux structures porteuses, en particulier pour les personnes dans les bâtiments.

Forces d'inertie : Forces dues à l'accélération d’une masse.

Sensible à la déformation : les éléments de construction cassants, peu souples et disposant d’une aptitude limitée à la déformation réagissent de manière sensible aux déformations du système porteur.

Niveau mou (« soft storey ») : niveau présentant une très faible rigidité vis-à-vis des déplacements horizontaux. C'est souvent le cas quand des éléments de rigidité de grands locaux et de grandes ouverture du bâtiment ne sont pas présents et que les charges lourdes sont portées uniquement par des piliers. La rupture de piliers dans les « niveaux mous » est également appelé « mécanisme de colonne » ou « mécanisme d’étage ».

Aléa et risques sismiques

Les séismes puissants peuvent causer une situation d’urgence à large échelle en quelques minutes, comme aucun autre événement naturel. La résolution de la situation peut durer des semaines, voire des mois, et requiert des mesures et des moyens exceptionnels. En comparaison européenne, la Suisse présente un aléa sismique moyen avec des différences régionales. En plus de l'aléa sismique à large échelle (zones sismiques), les caractéristiques du sous-sol influent sur la manière dont le sol peut bouger en cas de secousse.

Carte zones sismiques selon SIA 261 Annexe F

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En plus du mode de construction d'un bâtiment, le sous-sol local influence nettement les conséquences de séismes sur celui-ci : des sols mous renforcent les secousses, par exemple les couches sédimentaires d'anciens dépôts de fleuves et de lacs. Certains sols sablonneux et limoneux peuvent même se liquéfier s’ils sont soumis à des vibrations (« liquéfaction du sol »). Plus le sous-sol est solide (roche), moins les ondes sismiques se renforcent sur leur parcours jusqu’à la surface du sol et moins les répercussions sur les bâtiments sont donc importantes. Le danger lié aux séismes ne se limite donc pas aux « points chauds » d'aléa sismique comme le Valais et la région de Bâle. En fonction du sous-sol, de nombreuses autres zones du Plateau ou des vallées alpines peuvent être menacées dans la même mesure, voire davantage.

Classes de sols de fondation

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Microzonage spectral

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Le risque sismique est aussi influencé par les valeurs concernées et par la vulnérabilité des bâtiments et de l’infrastructure. La vulnérabilité d'un bâtiment dépend surtout de son mode de construction.

Risque sismique Suisse (Source et plus amples informations : SED)
Risque sismique Suisse (Source et plus amples informations : SED)

Exigences parasismiques pour les bâtiments

La norme SIA 261 énonce les exigences relatives aux nouvelles constructions parasismiques. Si l'on prend en compte ces exigences et qu'on les met en œuvre de manière rigoureuse dès le début du projet, elles garantissent une protection efficace et utile. Jusqu’au séisme de dimensionnement (effets du séisme pour une période de retour de 475 ans), seuls des dommages réparables peuvent survenir sur le bâtiment. Les personnes se trouvant à l’intérieur doivent être en sécurité. En raison de leur grande capacité d'occupation et pour maintenir les fonctions importantes de ces infrastructures, les ouvrages des classes CO II et CO III sont soumis à des exigences plus élevées.

Lors de transformations et de rénovations, il faut clarifier suffisamment tôt, au cours de la phase de planification, la nécessité et l’utilité d’un examen de la sécurité parasismique. L’examen de la sécurité parasismique des bâtiments existants s’effectue selon la norme SIA 269/8, et une distinction est effectuée entre les classes d'ouvrages CO II-s pour les écoles et les jardins d’enfants et CO II-i pour les édifices dont l’infrastructure revêt une fonction significative. Le degré d'accomplissement de la sécurité parasismique selon la norme SIA 269/8 et la proportionnalité d’éventuelles mesures de protection déterminent le besoin d'action. L’évaluation doit être effectuée par un ingénieur spécialisé en sécurité parasismique.

Certaines législations en matière de construction exigent explicitement le respect des normes parasismiques applicables. D’autres l'exigent seulement implicitement. Des exigences spécifiques s'appliquent durant la procédure de demande de permis de construire dans les cantons d’Argovie, de Bâle-Ville, de Berne, de Fribourg, du Jura, de Lucerne, de Nidwald et du Valais.

 

Situations de danger

Les principaux dangers en cas de ruissellement sont la rupture d’éléments porteurs et le renversement ou la chute d’éléments non structuraux et autres installations et équipements (ENIE).

Situation de danger 1 : rupture locale du système porteur sans effondrement

Les contraintes internes causent des déformations plastiques du système porteur ou endommagent des éléments structuraux. Les interactions avec des éléments de construction très rigides comme les murs en maçonnerie et les « piliers courts » (voir types / causes de dommages) favorisent de tels dommages au bâtiment.

Situation de danger 2 : rupture du système porteur avec effondrement d'une partie du bâtiment

Manifestation défavorable de la situation de danger 1. Des éléments de construction structuraux perdent leur capacité portante et certains secteurs du bâtiment, des niveaux entiers ou l'ensemble du bâtiment s’effondrent. Un effondrement peut également résulter d’une réaction en chaîne à partir d'une rupture initialement localisée, par ex. d’un seul pilier endommagé.

Situation de danger 3 : effondrement de niveaux mous

Forme spécialement et malheureusement souvent observée de la situation de danger 2. Un seul niveau s’effondre complètement. Les « niveaux mous » qui présentent une stabilité (trop) faible en raison de locaux trop grands ou d'ouvertures trop généreuses sont particulièrement menacés. Souvent, les rez-de-chaussée avec affectation commerciale sont touchés, surtout quand des murs porteurs ont été démontés dans le cadre d’un changement d'affectation (par ex. centres commerciaux avec grands locaux et vitrines jusque tout en haut des murs).

Situation de danger 4 : éléments non structuraux et autres installations et équipements (ENIE)

Exemples d’ENIE : cloisons de séparation, revêtements de plafond et de façade, garde-corps, cheminée, vitrages, ascenseurs, canaux et conduites, appareils de technique du bâtiment et objets d’ameublement. Beaucoup de ces éléments non porteurs pèsent un poids considérable et exercent donc des forces d’inertie importantes en cas de séisme. Les objets non ou insuffisamment arrimés vacillent et peuvent basculer, glisser ou buter contre d’autres objets. En raison des mouvements et éventuelles déformations du système porteur, les ENIE peuvent se rompre, basculer, se détacher ou tomber et ainsi blesser des personnes et causer d’importants dégâts matériels. Une grande part des dommages matériels causés par les séismes et des dommages subséquents sont dus aux ENIE.

Situation de danger 5 : liquéfaction du sol Les sols peu compacts, sablonneux ou limoneux peuvent se comporter comme un liquide s’ils contiennent beaucoup d’eau et sont soumis à des vibrations. Ils perdent donc immédiatement leur capacité portante. Les bâtiments et leurs fondations peuvent alors s’enfoncer dans le sol ou basculer. Le problème de la liquéfaction concerne aussi des sols qui présentent une très bonne capacité portante pour les charges statiques. Aux endroits avec une classe de terrain de fondation F, il vaut particulièrement la peine d'examiner le danger local de liquéfaction du sol.

Situation de danger 6 : événements secondaires

Les secousses sismiques peuvent déclencher d'autres dangers naturels comme des glissements de terrain, des coulées de boue de versant, des écroulements, des laves torrentielles, des avalanches ou des raz-de marée. Dans les régions concernées, les effets de ces dangers naturels secondaires peuvent dépasser celles du séisme.

Types et causes de dommages

Murs en maçonnerie

La maçonnerie est rigide mais à la fois très sensible à la déformation. Même de très faibles déplacements peuvent causer des fissures et des détachements à grande échelle. On constate typiquement des fissures en croix en diagonale entre les fenêtres ou entre les baies, en particulier dans les angles des bâtiments. La maçonnerie est également très sensible et cassante quand elle est soumise aux sollicitations perpendiculaires au niveau du mur (« hors du plan »).

Les cadres (par ex. composés de plafonds en béton armés et de piliers) avec de la maçonnerie ajoutée représentent une combinaison défavorable. Si les piliers sont résistants, la maçonnerie est détruite et la « baie » tombe. Les piliers plus fins sont cisaillés par la maçonnerie, ce qui conduit souvent à un effondrement. Les systèmes mixtes de murs porteurs en maçonnerie avec des piliers sont également problématiques : Si des murs en maçonnerie porteurs se rompent, ils ne peuvent plus porter les charges lourdes, ce qui peut conduire à un effondrement total du bâtiment.

Au niveau des bâtiments historiques en particulier, les liaisons entre les murs porteurs en maçonnerie et les planchers en bois sont souvent si faibles que des murs entiers peuvent basculer.

Dommages aux murs porteurs en béton armé

Si le bâtiment se met à osciller, les murs porteurs en béton armé peuvent subir des déformations plastiques et subir ainsi des dommages. Dans les secteurs qui n’ont pas été dimensionnés explicitement pour supporter ces sollicitations, il faut s'attendre à des dommages structurels avec des mécanismes de rupture liés à l'aspect cassant des matériaux (par ex. cisaillement). De tels dommages massifs sont souvent dus à des évidements et ouvertures (imprévus) dans les murs porteurs.

Rupture de piliers / niveaux mous

Les piliers peuvent bien transmettre verticalement les charges lourdes. En cas de déplacements horizontaux dans les bâtiments qui ne sont pas suffisamment rigides, les plus grandes déformations plastiques se concentrent toutefois sur les extrémités supérieures et inférieures des piliers. Au niveau de ces points faibles, des piliers peuvent même se déformer fortement ou se rompre. Les dommages typiques vont de piliers inclinés à l’effondrement complet de niveaux entiers (situation de danger 3).

Les bâtiments s’effondrent souvent en raison de « piliers courts » avec une longueur très faible par rapport à leur diamètre. La concentration défavorable de forces transversales menace ces piliers de se rompre par cisaillement. Souvent, les « piliers courts » sont dus à des garde-corps qui rigidifient la partie inférieure des piliers.

Systèmes de façades et revêtements

Comme les murs en maçonnerie, les éléments de façade sont sensibles aux déformations (surtout les éléments rigides implantés sans joint) et aux accélérations (surtout les éléments lourds). Ils sont en outre souvent insuffisamment protégés contre les sollicitations horizontales.

Fenêtres et façades en verre

Les vitrages et autres éléments de construction rigides de l’enveloppe du bâtiment sont très sensibles aux déformations du système porteur, surtout quand ils sont implantés sans joint. Des fenêtres individuelles peuvent aussi se briser en raison de la déformation des cadres de fenêtres.

Interaction entre plusieurs bâtiments ou parties de bâtiment (joints non conformes)

La collision entre des bâtiments voisins ou des parties de bâtiment voisines peut causer des dommages considérables. Le danger d’effondrement est particulièrement élevé quand les dalles d’étage sont situées à des hauteurs différentes et percutent les piliers du bâtiment voisin.

Des dommages surviennent de manière similaire en cas de collision entre des ENIE et d'autres éléments du bâtiment.

Enfoncement ou basculement des fondations

En cas de liquéfaction du sol ou de capacité portante très hétérogène, des bâtiments entiers peuvent s'enfoncer et basculer.

Mesures de protection

La norme SIA 261 formule les exigences applicables aux nouvelles constructions parasismiques et garantit une protection efficace contre les tremblements de terre en cas de mise en œuvre correcte de ces exigences. La prise en compte de cette thématique tôt dans la phase de conception est décisive. De même, une collaboration précoce entre les architectes et les ingénieurs est essentielle. Vous obtiendrez ainsi des variantes de solutions très efficientes et élégantes tout en réduisant les efforts et les coûts nécessaires pour le déroulement ultérieur de la planification et de la réalisation. Pour les bâtiments existants, il peut être nécessaire de vérifier la sécurité parasismique selon la norme SIA 269/8 et de l’améliorer.

Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment : protection des bâtiments

Normes et directives

Normes relatives aux structures porteuses

SIA 260 (2013): Grundlagen der Projektierung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261 (2014): Einwirkungen auf Tragwerke. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261/1 (2003): Einwirkungen auf Tragwerke – Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein. Zürich.

SIA 269 (2011): Grundlagen der Erhaltung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269/1 (2011): Erhaltung von Tragwerken - Einwirkungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich

SIA 267 (2013): Geotechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 267/1 (2013): Geotechnik - Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269 (2011): Grundlagen der Erhaltung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269/1 (2011): Erhaltung von Tragwerken - Einwirkungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269/8 (2017): Erhaltung von Tragwerken – Erdbeben. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 465 (1998): Sicherheit von Bauten und Anlagen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 469 (1997): Erhaltung von Bauwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

 

Littérature

Bachmann, H. (2015): Wenn Bauwerke schwingen. Baudynamik und Erdbebeningenieurwesen in der Schweiz – Geschichte und Geschichten. Vdf, Zürich.

Bachmann, H. (2002): Erdbebengerechter Entwurf von Hochbauten – Grundsätze für Ingenieure, Architekten, Bauherren und Behörden. Richtlinien des BWG, Biel.

BAFU (2013): Erdbebengerechte Neubauten in der Schweiz. Worauf es ankommt – und warum. Bundesamt für Umwelt (BAFU) und Stiftung für Baudynamik und Erdbebeningenieurwesen (www.baudyn.ch).

BAFU (2013): Ist unser Gebäude genügend erdbebensicher? Wann eine Überprüfung und eine Verbesserung sinnvoll sind – und warum. Bundesamt für Umwelt (BAFU) und Stiftung für Baudynamik und Erdbebeningenieurwesen (www.baudyn.ch).

Braune F., Berweger A., Vogt R., Szczesiak T. (2016): Erdbebensicherheit sekundärer Bauteile und weiterer Installationen und Einrichtungen. Empfehlungen und Hinweise für die Praxis. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 1643: 98 S.

Brunner, R., Jung, P., Steiger, R., Wenk, T., Wirz, N. (2010): Erdbebengerechte mehrgeschossige Holzbauten. Technische Dokumentation der Lignum.

Gunzenhauser, M., Herbst, C., Tosolini, E. (2018), Leitfaden Gebäudebeurteilung nach Erdbeben. Organisatorische Aspekte der Vorbereitung und Durchführung. Bundesamt für Bevölkerungsschutz BABS (Hrsg.), Bern.

Mayoraz J., Lacave C., Duvernay B. (2016): Erdbeben: Karten der Baugrundklassen. Erstellung und Verwendung. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 1603: 48 S.

Wenk T. (2008): Erdbebenertüchtigung von Bauwerken. Strategie- und Beispielsammlung aus der Schweiz. Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 0832: 84 S.