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Tunnel sind bedeutende Infrastrukturbauwerke. Die Beurteilung der Folgen von Brandereignissen in Tunneln ist daher auch von außerordentlicher volkswirtschaftlicher Bedeutung. Ein solches Brandereignis stellt z.B. der Brand eines mit Benzin beladenen Tanklastzugs dar. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens für die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden verschiedene Szenarien für diesen Extremfall mit unterschiedlichen Energiefreisetzungsraten und deren Einfluss auf die Tunneltragsicherheit mittels numerischer Strömungssimulationen und Finite-Elemente-Berechnungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass selbst Brandszenarien mit Flüssigkeitslachenbränden von bis zu 28 t Benzin durch die ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Kurve abgedeckt werden können. Der folgende Beitrag fasst die wesentlichsten Ergebnisse zusammen.
Die Bemessung schlanker plattenförmiger Bauteile, die sich aus ebenen, unversteiften oder versteiften Blechen zusammensetzen und die in ihrer Ebene beansprucht sind, erfolgt nach DIN EN 1993-1-5:2010. Diese Beulnachweise können nach DIN EN 1993-1-5 mittels zweier Nachweiskonzepte, die Methode der wirksamen Breiten in Abschnitt 4-7 und die Methode der reduzierten Spannungen in Abschnitt 10, durchgeführt werden. Die Methode der reduzierten Spannungen ist im Eurocode sehr kurz dargestellt und mit vielen Querverweisen auf andere Abschnitte beschrieben, so dass die Gefahr besteht, diese falsch zu interpretieren. Deshalb ist es notwendig, Abs. 10 deutlicher und klarer zu strukturieren. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Beispiele mit beiden Methoden untersucht und die Ergebnisse verglichen. Aus der Vergleichsuntersuchung wurden Empfehlungen für die Auswahl des geeigneten Berechnungsverfahrens zusammengestellt. Zu allen wesentlichen Punkten der Nachweisführung wurden Hinweise und Klarstellungen gegeben, die den aktuellen Stand der Technik wiedergeben. Außerdem wurde eine verbesserte Version von DIN EN 1993-1-5 Abs. 10 so ausgearbeitet, dass dieser anwendungsfreundlicher und klarer wird. Mit den Ergebnissen wurden Handlungsempfehlungen in Form eines Flussdiagramms für die Praxis entwickelt und ein Vorschlag für die aktuell stattfindende Weiterentwicklung des EC 3 in Englisch.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden für verschiedene Tunnel mit Rechteck- und Gewölbequerschnitt mit dem Regelquerschnitt RG 31t (bzw. RQ 10,5), die orts- und zeitabhängigen Verteilungen der Gastemperatur, der Gasgeschwindigkeit und Gaszusammensetzung, der adiabaten Decken- und Wandtemperaturen sowie der zeitliche Verlauf der Wärmefreisetzungsrate und des Durchwärmungsverhaltens bestimmt werden. Betrachtet wurden Tunnel mit konstanter Längsneigung von 3 % sowie ein Tunnel mit muldenfoermigem Längsprofil (Richtungs- und Gegenverkehr). Bezüglich der Austrittgeschwindigkeit wurden die Szenarien 20,6 kg/s und 300 kg/s unterschieden. Zusätzlich im Fall A ein mit Holzpaletten beladenen LKW und im Fall B zusätzlich noch weitere PKW und LKW berücksichtigt. In einem originalmaßstäblichen Großbrandversuch wurde zur Klärung offener, aus der Modellierung resultierender Fragen ein Unfall in einem Richtungsverkehrstunnel zwischen einem LKW, der mit ca. 3,7 t Europoolpaletten beladen war, und einem PKW nachgebildet. Insgesamt wurden 3 Mittelklasse-PKW im Versuchstunnel positioniert. Die Brandlast betrug ca. 123 GJ. Anhand durchgeführter Plattenbrandversuche wurde festgestellt, dass die Schichten aus spritzbarem Faserbeton des Systems RUB sowie die Fertigteilschutzschichten des Systems HOCHTIEF ein relativ geringes bzw. kein Abplatzverhalten aufweisen und bei Brandbeanspruchung jeweils einen signifikanten thermischen Schutz der Stahlbetonkonstruktion gewährleisten können. Es konnte gezeigt werden, dass Auswirkungen auf die Tragstruktur nicht größer sind als infolge eines Brands, dessen Temperatur-Zeit-Verlauf dem ZTV-ING-Verlauf entspricht. Es sei aber angemerkt, dass aus den Szenarien unter noch ungünstigeren Bedingungen (z.B. im Falle eingeschränkt funktionsfähiger Schlitzrinnen) Auswirkungen entstehen könnten, die nur durch den verlängerten ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Verlauf abgedeckt wären.
Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war das Bewertungsverfahren aus FE 15.494/2010/FRB "Entwicklung einheitlicher Bewertungskriterien für Infrastrukturbauwerke in Hinblick auf Nachhaltigkeit" an fertiggestellten Bauwerken in der Praxis erstmalig anzuwenden und kritisch zu überprüfen. Die Bearbeitung erfolgte durch ein Konsortium von Forschungseinrichtungen der TU Darmstadt, der TU München und der Universität Stuttgart, sowie den Ingenieurbüros Büchting+Streit AG, SSF Ingenieure AG und der LCEE GmbH. Als Ergebnis wird die Anwendbarkeit des Bewertungssystems festgestellt und es werden Empfehlungen zur Verbesserung des Bewertungsschemas und der Bewertungskriterien im Schlußbericht zusammengefasst. Das vorliegende Projekt wurde im Rahmen der Arbeitsgruppe Nachhaltige Straßeninfrastruktur im BMVBS im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Zeitraum September 2011 bis Juli 2012 bearbeitet. Die Grundlage für das Forschungsvorhaben bildet das bereits angesprochene FE-Vorhaben 15.494/2010/FRB.
Fire incidents are among the most relevant for people in a tunnel. Therefore, it is important to be sufficiently prepared for such events. A large scale fire test is to be used to help evaluate the initial burning duration and the time it takes for the fire to spread to other vehicles in the tunnel, and in particular how long it takes for a truck carrying wooden pallets to catch fire, taking into consideration the extremely high temperatures. The goal, therefore, is to determine the time it takes for a fire to spread to other vehicles in the tunnel. In the large scale fire test, an accident in a tunnel with one-way traffic is simulated between a truck loaded with approximately 3.7 t of wooden Europol pallets and a passenger car. Directly behind each of the vehicles involved in the accident there is another car which stops at a distance of 1.0 m. Approximately 300 litres of burning diesel are discharged from the truck's fuel tank, which is simulated by using approximately 400 litres of isopropanol. A 10 m-² burning pool forms underneath the truck. Other objectives of the large scale fire test are the validation of the CFD models and the evaluation of the progression of the thermal release ratios estimated for the simulation. The thermal release ratios generated in the test are determined and evaluated using various models.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollten auf der Basis bekannter Zusammenhänge sowie ergänzend durchzuführender Untersuchungen vor Ort und im Labor Grundlagen zur Abschätzung der Chlorideindringung in Tunnelinnenschalenbeton geschaffen werden. Hierfür standen Fragebogen zu Chloridbelastungen in Straßentunneln zur Verfügung.
Im Ergebnis der 2013 initiierten Länderabfrage gingen Rückmeldungen zu insgesamt 53 Bauwerken ein, was etwa 13 % des gesamten Straßentunnelbestandes entspricht. Als ein wesentliches Ergebnis der Länderabfrage ist festzustellen, dass in allen untersuchten Tunneln auch Chloride nachgewiesen wurden.
Zum Studium von Materialeigenschaften, die für das Eindringen und die Ausbreitung von Chloriden maßgebend sind, wurden eigene Laborprüfkörper hergestellt. Außerdem wurden Untersuchungen an drei bayrischen Tunnelbauwerken durchgeführt. Zur Untersuchung wurden grundsätzlich in jedem Tunnel mindestens 2 Blöcke ausgewählt.
Als Grundlage für die Modellierung der Chlorid-Eindringvorgänge wurde ein semi-probabilistische Ansatz gewählt. Das Ziel der hier ausgeführten Berechnungen bestand nicht in der Dauerhaftigkeitsbemessung neu zu errichtender Bauteile, sondern in der Prognose der weiteren Entwicklung des Chloridgehaltes in einem bestehenden Bauwerk, für das Chloridprofile aus Bauwerksuntersuchungen vorliegen.
Im Ergebnis der semi-probabilistischen Modellierung der Chlorid-Eindringvorgänge konnte eine praktikable Prognose für einen wählbaren Zeitraum erstellt werden und mit den auf Basis der experimentell ermittelten Chloridprofile validiert werden.
Mit den Erkenntnissen des Forschungsvorhabens bzw. mit der darin beschriebenen Herangehensweise ist es möglich, Bestands-Tunnelbauwerk hinsichtlich der Gefahr einer chloridinduzierten Korrosion zu charakterisieren und eine Prognose für den tiefen- und zeitabhängigen Chloridgehalt im Beton für die geplante (Rest-) Nutzungsdauer abzuschätzen.
