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Report (Bericht) zugänglich unter
URL: http://bast.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2011/204/


Brandversuche in Tunneln : Vereinheitlichung der Durchführung und Auswertung

Fire tests in road tunnels

Steinauer, Bernhard ; Mayer, Georg ; Kündig, Peter

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Ausrüstung , Berechnung , Bewertung , Deutschland , Feuer , Forschungsbericht , Kalibrierung , Lüftung , Messung , Numerisches Modell , Prüfverfahren , Rechenprogramm , Sicherheit , Simulation , Standardisierung , Tunnel , Verhalten , Versuch
Freie Schlagwörter (Englisch): Behaviour , Calculation , Calibration , Digital model , Equipment , Evaluation , Fire , Germany , Measurement , Research report , Safety , Simulation , Standardization , Test method , Test , Tunnel , Ventilation
Collection: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 54 Tunnelbau
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Institut für Straßenwesen <Aachen>
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
Bandnummer: 57
ISBN: 978-3-86509-734-7
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 30.09.2011
Bemerkung: Weitere beteiligte Körperschaft: Kündig Ingenieurbüro . Die kostenpflichtige Verlagsversion des Berichtes liegt nur in digitaler Form (CD-ROM) vor.
Kurzfassung auf Deutsch: Um das oft komplexe Zusammenwirken von einzelnen betriebstechnischen Einrichtungen zur Detektion von Brandereignissen und Steuerung der Lüftung sowie den übrigen sicherheitstechnischen Systemen überprüfen zu können, werden nach ZTV-ING im Rahmen der Abnahme Funktionsprüfungen gefordert, indem Brände simuliert und die zu prüfenden Größen messtechnisch erfasst werden. Reale Brandversuche in Straßentunnel sind jedoch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und des notwendigen technischen Aufwandes zur Erfassung der interessierenden Branddaten und zum Schutz der betriebstechnischen Einrichtungen sowie des Bauwerkes in der Anzahl der Szenarien wie in der Energiefreisetzung begrenzt. Die unter vertretbarem Aufwand erreichbare Brandleistung beträgt zirka 5 MW. Um dennoch Aussagen über das Verhalten des Systems bei höheren Brandleistungen und unterschiedlichen, realen Randbedingungen (Brandorte, Verkehrsbelegung, Windverhältnisse und so weiter.) zu erhalten, sollten Simulationsrechnungen durchgeführt werden können. Diese erlauben eine sehr flexible Modellierung des Tunnels und die Ermittlung sämtlicher relevanter Größen an beliebigen Punkten im Untersuchungsgebiet. Da die Randbedingungen sehr tunnelspezifisch sein können, sind zur Kalibrierung entsprechender Rechenprogramme Eingangswerte aus standardisierten Brandversuchen hilfreich. Ziel der Untersuchung war es daher, mit Hilfe eines geeigneten Rechenprogramms Anforderungen an einen Brandversuch hinsichtlich der notwendigen Daten zur Funktionsüberprüfung und zur Brandhochrechnung zu definieren. Zur Durchführung der Simulationsrechnungen wurde der "Fire Dynamics Simulator" (FDS) verwendet, der über das National Institute of Standards and Technology als 0pen Source-Rechenprogramm erhältlich ist. Grundlage des Rechenprogramms bilden die Gleichungen für die Massen-, Impuls-, Energie- und Stofferhaltung, die im 3-dimensionalen Raum numerisch gelöst werden und als Ergebnis Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder bereitstellen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden verschiedene Versuchsreihen des Memorial-Tunnel-Fire-Ventilation-Test-Program (MTFVTP) zur Verifizierung der Rechenergebnisse herangezogen. Die vergleichende Gegenüberstellung der einen Brand charakterisierenden Größen Geschwindigkeit und Temperatur ergaben eine überwiegend gute Übereinstimmung der Messwerte aus den Brandversuchen mit den Simulationsergebnissen. Basierend auf den Berechnungen zu den Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen wurden schließlich unter den Aspekten der Funktionsüberprüfung der betriebstechnischen Einrichtungen und der Erfassung von Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen Anforderungen zur Versuchsanordnung, Branddauer, Brandgut und Erfassung der relevanten Messgrößen im Längs- und Querschnitt sowie Anforderungen zu Schutzvorkehrungen abgeleitet. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Definition "eines" Standardbrandversuchs nicht zweckmäßig ist, da die Zielsetzungen sich zu sehr unterscheiden. Dagegen konnten konkrete Grundlagen und Empfehlungen zur Festlegung standardisierter Brandversuche für die gemäß RABT und ZTV-ING vorgesehenen Funktionstests erarbeitet werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das für die Simulationsrechnungen verwendete Programm FDS derzeit ein adäquates Instrument bildet, nicht nur bezüglich der Simulation von Tunnelbränden unter realen Gegebenheiten und der resultierenden Strömungs- und Temperaturverhältnissen sowie Rauchkonzentrationen, sondern auch in Bezug auf die benötigte Rechner- und Speicherkapazität.
Kurzfassung auf Englisch: The ZTV-ING guidelines require tests of function for the acceptance of work in order to check the complex interactions between separate operational control equipment units for the fire detection, tunnel ventilation and the other security systems. These tests include the simulation of tunnel fires and the measurement of the relevant values to be checked. But, real tunnel fire tests are constricted regarding the number of scenarios and the heat release rate, considering both the economic efficiency and the necessary technical effort required to record the interesting fire data and to protect the operational control equipment and the construction. The heat release rate that can be achieved with a justifiable effort is approximately 5 MW. In order to get statements about the behaviour of the system facing higher heat release rates and different, real boundary conditions, still, it should be possible to carry out simulations, which allow a very flexible modelling of the tunnel and the determination of all relevant data at any points in the study area. As the boundary conditions tend to be very specific for each tunnel, initial values derived from real fire tests are helpful for the calibration of suitable calculation programs. Therefore, the aim of the project was the definition of requirements for a fire test regarding the necessary data for the test of function and the projection of the fire using a suitable calculation program. The simulations were carried out with the "Fire Dynamics Simulator" (FDS), which is available at the National Institute of Standards and Technology as a Open Source-program. The program is based on the conservation laws for mass, momentum, energy and species which are solved numerically in the 3-dimensional space. The results are velocity-, temperature- and concentration fields. In the course of this project, different series of tests from the Memorial-Tunnel-Fire-Ventilation-Test-Program (MTFVTP) were used for the verification of the calculation results. The comparison of the characteristic values velocity and temperature from both test data and simulation results showed good correspondance. Based on the calculations of temperature and velocity distributions, and regarding tests of function of the operational control equipment and recording of initial values for simulations, requirements were derived for the experimental investigation design, fire duration, burnt material, measurement of the relevant data and protection precautions. The project showed that the definition of a "single" standard fire test is not advisable, as the aims differ too much. But, concrete bases and recommendations for the definition of standardized fire tests required by the tests of function according to the RABT and ZTV-ING guidelines were acquired. Additionally, it could be shown that the program FDS that was used for the simulations provides momentarily an adequate instrument - on one hand for the simulation of tunnel fires under real conditions and the resulting velocity and temperature situations and smoke concentrations and on the other hand to show the necessary computer and storage capacities.