Geothermie kann in seltenen Fällen leichte Schwingungen verursachen. Aber was bedeutet das eigentlich? Im Folgenden erklären wir, wie diese entstehen, wie sie sich ausbreiten und was das für Boden und Gebäude bedeutet.

Warum reagieren manche Häuser stärker auf Erschütterungen als andere?

Jedes Gebäude ist ein individuelles Schwingungssystem — mit eigenen Frequenzen, auf denen es am empfindlichsten reagiert. Drei Parameter bestimmen dieses Verhalten maßgeblich: Größe, Steifigkeit und Dämpfung.

Im Rahmen der Gebäudetaxonomie (AP 1.3) wurde systematisch untersucht, wie sich diese drei Strukturparameter — Deckengröße, Steifigkeit und Dämpfung — auf das Schwingungsverhalten auswirken. Dafür wurden 87 Gebäudemodelle mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) aufgebaut und in einem parametrischen Ansatz systematisch variiert.

Die Ergebnisse sind eindeutig: Die Geschossgrößen (variiert zwischen 2 × 2 m und 8 × 8 m) beeinflussen die Gebäudereaktion erheblich — insbesondere bei den Biegemoden, die wiederum die vertikalen Schwingungen dominieren.

Wände verändern das Bild durch Erhöhung der Steifigkeit: Sie verschieben die dominierenden Resonanzfrequenzen in horizontaler Richtung nach oben. Anders verhält es sich bei der Dämpfung: Sie reduziert zwar die Schwingungsamplitude, lässt die dominanten Frequenzen aber nahezu unberührt.

Somit lassen sich die Eigenfrequenzen als ganzheitliche Kenngrößen betrachten, die mehrere Parameter zu Einzelwerten verdichten — ein wichtiger Befund für die vereinfachte Beurteilung großer Gebäudebestände.

Kernerkenntnis

Vertikal vs. horizontal — zwei unterschiedliche Welten

Die seismische Übertragungsfunktion für vertikale Schwingungen wird hauptsächlich von der ersten Eigenfrequenz der Decken bestimmt. Die horizontale Schwingung dagegen hängt von den translatorischen Eigenformen des gesamten Gebäudes ab. Deshalb reagiert ein Bungalow mit großen Deckenspannweiten anders als ein kompakter Altbau mit vielen Innenwänden.

 

Quelle: GAB 2.0 Abschlussbericht, Kap. 5.4.2 „Berichte und Ergebnisse aus den Arbeitspaketen“ — AP 1.3 Gebäudetaxonomie für Vulnerabilitätsanalyse (S. 93–95, Abb. 72).

Welche Gebäudeteile sind besonders empfindlich?

Drei Bauteile spielen unterschiedliche Rollen: Decken, Wände und Fundamente. Die Forschung liefert dazu konkrete Messwerte und Modelle.

Geschossdecken

Bestimmen das vertikale Schwingungsverhalten. Die Deckenspannweite ist der dominante Faktor — größere Spannweiten bedeuten tiefere Biegeeigenfrequenzen und damit höhere Empfindlichkeit. Im Monitoring in Taufkirchen lagen die vertikalen Gebäudeschwingungen im Bereich von ca. 12,5 Hz.

Wände

Steuern die horizontale Steifigkeit. Mehr Wände = steiferes Gebäude = geringere horizontale Schwingungen. Die Messungen in Taufkirchen zeigten horizontale Schwingungen vornehmlich im Bereich 5–7 Hz — im Einklang mit der erwarteten translatorischen Eigenform.

Fundamente

In München untergeordnet: Bei steifen Böden mit Scherwellengeschwindigkeit Vs = 400 m/s liefern frequenzabhängige und -unabhängige Gründungsmodelle vergleichbare Ergebnisse. Erst bei weichem Boden (Vs = 100 m/s) wird die Modellwahl relevant.

Aus dem Feld — Monitoring Taufkirchen

Was passiert, wenn ein echtes Beben das Gebäude erreicht?

Zwischen Juni 2023 und April 2024 wurden in drei Gebäuden (Gymnasium Garching, Bürogebäude Taufkirchen und Unterhaching) Monitoringsysteme installiert. In Taufkirchen wurden vier induzierte Beben zwischen Magnitude 1,3 und 1,8 aufgezeichnet. Die Auswertung zeigte: Die Bodenbewegung konzentrierte sich vertikal bei ~20 Hz, horizontal bei 6–10 Hz — bei stärkeren Ereignissen (M 1,6 / M 1,8) dominierte die horizontale Komponente. Die Deckenschwingungen im 2. Obergeschoss erreichten maximal 0,38 mm/s vertikal und 0,656 mm/s horizontal.

Ab wann wird es unangenehm, ab wann kritisch?

Zwei Normen beantworten diese Frage: eine für das Empfinden der Bewohner:innen, eine für die Bausubstanz. Sie sind bewusst unterschiedlich streng.

DIN 4150-2 · Personenkomfort

Wie stark werden Menschen gestört?

  • Bewertet die Empfindlichkeit des Menschen gegenüber Erschütterungen im Gebäude
  • Unterscheidet konsequent zwischen Tag- und Nachtgrenzwerten
  • Referenzgröße:KBFmax— ein frequenzbewerteter Schwingstärkewert
  • Grenzwert für hohen Komfort bei Decken:0,2; für mittleren Komfort:1,0
  • Ausgelegt auf „seltene, kurzzeitige Erschütterungen“ (nicht mehr als 3 Ereignisse/Tag)
DIN 4150-3 · Gebäudeschutz

Wann ist die Bausubstanz gefährdet?

  • Definiert Anhaltswerte für die bauliche Sicherheit — Schutz vor Schäden
  • Bezieht sich auf die maximale Schwinggeschwindigkeit an Decken/Fundament
  • Kritische Schwellen liegen um Größenordnungen über den in München gemessenen Werten
  • Im Projekt als Referenz fürGebrauchstauglichkeitherangezogen
  • Praktisch nie erreicht bei typischen geothermischen Beben im Raum München

Auch beim stärksten der vier in Taufkirchen aufgezeichneten Ereignisse — einem Beben der Magnitude 1,8 am 29.11.2023 um 12:38 Uhr — wurde der Grenzwert für hohen Komfort (0,2) nur im 2. Obergeschoss in horizontaler Richtung mit 0,255 leicht überschritten. Der Wert blieb damit deutlich im Bereich des mittleren Komforts (Grenze 1,0) und weit entfernt von jedem Gebäudeschadenskriterium.

 

Quelle: GAB 2.0 Abschlussbericht, Kap. 5.4.2 AP 1.5 „Probabilistische Bewertung“ — Schadensindikatoren nach DIN 4150-2 und DIN 4150-3 (S. 97–99) sowie Kap. 5.7.8 Messergebnisse Taufkirchen (S. 177).

Wie wird bewertet, ob mein Gebäude sicher bleibt?

Der Begriff Vulnerabilitätsanalyse beschreibt genau diesen Prozess: Hunderte Gebäudevarianten werden einer ganzen Datenbank realer Bodenbewegungen ausgesetzt. Die resultierenden sogenannten taxonomischen Fragilitätsfunktionen werden mit der Multibandanalyse nach Baker (2015) abgeleitet — Mediane und Standardabweichungen schätzt man mit der Maximum-Likelihood-Methode.

Der entscheidende Unterschied zu klassischen Fragilitätsfunktionen: Hier wird nicht strukturelles Versagen modelliert, sondern die Überschreitung von Gebrauchstauglichkeits- und Komfortkriterien nach DIN 4150-2 und 4150-3.

Das Ergebnis ist ebenso klar wie beruhigend: Die Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung der Gebrauchstauglichkeitsgrenzen liegt bei den beobachteten PGV-Werten nahezu bei Null. Der Komfort reagiert empfindlicher — und hier zeigt sich ein wichtiges Muster: Nachtkomfortgrenzen werden bei niedrigeren PGV-Werten eher überschritten als die Tagesgrenzen.

Ein weiterer Befund aus den getesteten Modellen: Bei geothermisch induzierten Beben sind die vertikalen Schwingungen größer als die horizontalen — ein Grund, beide Richtungen bei der Planung von Gebäuden in der Nähe von Geothermiekraftwerken zu berücksichtigen.

Validierung durch drei Modellstufen

Damit einfache Modelle zuverlässige Aussagen liefern

Die vereinfachten Berechnungen wurden gegen komplexe 3D-Simulationen abgeglichen: (1) Quelle-zu-Struktur-Simulationen mit diskontinuierlicher Galerkin-Methode, (2) Nahfeld-zu-Struktur-FEM mit absorbierenden Rändern, (3) vereinfachte BBI-Simulationen mit FEM-LPM-Impedanzmodellen. Alle drei Ansätze bilden die Deckenschwingungen konsistent ab, das ist die Grundlage dafür, dass die probabilistischen Bewertungen in AP 1.5 belastbar sind.

Quelle: GAB 2.0 Abschlussbericht, Kap. 5.4.2 AP 1.5 „Probabilistische Bewertung“ — Cloud-Analyse und Fragilitätsfunktionen (S. 97–99, Abb. 77 & 78) sowie AP 1.4 Erstellung und Validierung 3D BBI-Modelle (S. 95–97, Abb. 74–76).

Erreichen Erschütterungen in München kritische Werte?

Die kurze Antwort: Nein. Die lange Antwort: Weil der Münchner Untergrund und die typischen Magnituden zusammen ein sehr mildes Einwirkungsszenario ergeben.

Die probabilistische Bewertung im AP 1.5 kommt zu einem eindeutigen Schluss: Die strukturelle Integrität der Gebäude bleibt unter den betrachteten seismischen Szenarien generell innerhalb der in DIN 4150-3 definierten Grenzen. Nur in wenigen Einzelfällen werden die Komfortgrenzen nach DIN 4150-2 überschritten und das insbesondere nachts, wo die menschliche Wahrnehmung empfindlicher reagiert.

Der Münchner Baugrund als Schutzfaktor

Ein steifer Schotterboden macht vieles einfacher

In München liegt der Vs,30-Wert, die mittlere Scherwellengeschwindigkeit der oberen 30 m, bei etwa 400 m/s. Dieser Wert wurde durch Cross-Hole-Versuche (die aufwendigere, aber genauere Referenzmethode) an fünf Standorten in München bestätigt, darunter am Hauptbahnhof, in Pasing und in Freiham. An letzterem Standort wurden zusätzlich nicht-intrusive Array-Verfahren durchgeführt, mit vergleichbaren Ergebnissen. Die Variabilität der Bodenparameter ist im Raum München gering und der Boden so steif, dass die Boden-Bauwerk-Interaktion die Gesamtreaktion des Gebäudes nur minimal beeinflusst.

Zusätzlich wurden im Projekt neue Bodenbewegungsmodelle (GMPEs) für den süddeutschen Raum entwickelt, die speziell auf die Mikrobeben geothermischer Anlagen zugeschnitten sind und auf einer Kombination aus statistischer Analyse aufgezeichneter seismischer Daten und physikbasierter Simulationen basieren. Diese Modelle wurden auf eine Fallstudie eines niedrigen Wohngebäudes im Großraum München angewendet und liefern den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach deutschen Normen bis zu einer Magnitude von Mw = 2,5.

 

Quelle: GAB 2.0 Abschlussbericht, Kap. 5.4.2 AP 1.5 „Probabilistische Bewertung“ — zusammenfassende Bewertung (S. 99), AP 1.1 Bodendynamische Erkundung (S. 89–91, Abb. 68) sowie AP 1.2 Entwicklung neuer GMPEs für Süddeutschland (S. 92–93, Abb. 71).

Was passiert, wenn doch einmal etwas passiert?

Sollten Überwachungssysteme eine Überschreitung kritischer Schwellen prognostizieren, greifen gestaffelte Schutzmechanismen. Ziel: die Einwirkung auf Wohngebiete gezielt minimieren.

Seismisches Monitoring

Dichte Sensornetze, insbesondere der Erdbebendienst Bayern und das Betreibernetz Tiefe Geothermie mit derzeit 15 beteiligten Betreibern , erfassen induzierte Ereignisse in Echtzeit. KI-basierte Algorithmen (EarthQuakeTransformer, PhaseNet) verorten automatisch.

Ampelsystem (TLS)

Das klassische „Traffic Light System“ definiert für verschiedene Magnitudenschwellen abgestufte Maßnahmen, von erhöhter Beobachtung über Anpassung der Injektionsraten bis zur temporären Betriebseinstellung bei Überschreitung.

Digitaler Zwilling (RMS)

Die nächste Generation: ein Reservoir-Management-System auf Basis gekoppelter THM-Reservoir- (MOOSE/TIGER) und 3D-Bruchdynamik-Modelle (SeisSol), verschnitten mit seismischen Echtzeitdaten und berechneter Schütterwirkung.

In der praktischen Umsetzung zeigte sich während der Projektlaufzeit, dass die direkte Implementierung dieses komplexen Ansatzes in ein Echtzeit-Frühwarnsystem verfrüht wäre, vor allem, weil die nötigen Echtzeit-Betriebsparameter von den dicht beieinanderliegenden Anlagen im Großraum München noch nicht vollständig verfügbar sind. Die Weiterentwicklung erfolgt daher im Anschlussprojekt ReMol („Reservoir Modell–Induzierte/Getriggerte Seismizität“), in dem die Datenüberlassung auch in Echtzeit zwischen Betreibern und Forschung bereits von Beginn an vereinbart wurde.

 

Quelle: GAB 2.0 Abschlussbericht, Kap. 5.4.2 „Berichte und Ergebnisse aus den Arbeitspaketen“ – AP 2.1/2.5/2.6 Reservoirmodelle zur Erkennung kritischer Zustände / Frühwarnsystem (S. 99–101, Abb. 79) sowie Kap. 5.4.3 Verwertungspotential – Kopplung THM-Reservoirmodell (MOOSE/TIGER) mit Bruchsimulation (SeisSol) (S. 111–112).