25 Tunnelentwurf
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Im Nahbereich hochbelasteter Bundesfernstraßen sind Überschreitungen von Immissionsgrenzwerten um mehr als 15 dB(A) möglich, die durch normal hohe Lärmschutzwände nicht mehr abgebaut werden können. Zur Vermeidung ästhetisch nicht befriedigender und bautechnisch schwer beherrschbarer Lärmschutzwandhöhen kommt als aktive Schallschutzmaßnahme nur noch die Führung von Straßen in teuren Lärmschutztunneln oder Einhausungen in Frage. Das Bemühen, die Kosten eines solchen Lärmschutzes zu minimieren, kann aber zu einer Reihe von Lärmproblemen führen. Im Beitrag wird auf die Probleme "Schalldämmung", "Überstandslänge" und "erhöhte Emission durch das Tunnelportal" eingegangen.
Aufgrund der sich weiter verschärfenden EU-Abgasvorschriften werden sich Auswirkungen auf die betriebstechnische Ausrüstung von Straßentunneln ergeben. Dies gilt insbesondere für die Lüftungsanlagen. Die derzeit gültigen Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) aus dem Jahre 1994 müssen aufgrund der Ergebnisse neuerer Untersuchungen und der neuen EU-Vorschriften überprüft werden. Wegen des starken Rückganges der CO-Emissionen und des zur Sichttrübung führenden Partikelausstoßes von Dieselfahrzeugen wird für den Betriebsfall ein wesentlich geringerer Frischluftbedarf zu erwarten sein. Zur Bewertung der zu erwartenden Sichttrübung müssen künftig aber bisher vernachlässigbare Einflüsse aus Abrieb von Reifen, Straße und Bremsbelägen sowie Sprühnebel und Staub berücksichtigt werden. Unabhängig vom Regelbetrieb wird aber die Tunnellüftung auch auf einen möglichen Brandfall zu bemessen sein. Zur Klärung der noch offenen Fragen werden weitere Forschungsarbeiten als notwendig erachtet.
Ermittlung der Schadstoffbelastung in einem Tunnelbauwerk mit geschlitzter Decke an der EB 42 n
(1987)
Eine Schnellstraße durch einen Tunnel mit einer in der Mitte geschlitzten Decke zu führen, wie an der EB 42n im Bereich Königswinter-Oberdollendorf, ist in der Bundesrepublik Deutschland ohne Vorbild. Zur Klärung, welche Umweltbelastungen von einem derartigen Bauwerk ausgehen können, wurde in einer Messkampagne untersucht, welche Schadstoffbelastungen im Tunnel und außerhalb des Tunnels auftreten. Bei einem Verkehrsstau auf einer Richtungsfahrbahn von mehreren Kilometern Länge im Bereich des Tunnelbauwerkes wurden im Tunnel Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen, die um mehr als den Faktor 5 unter dem Grenzwert aus den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) lagen. Die Schadstoffbelastungen am Schlitz des Tunnels sind gering. Sie unterschreiten sowohl die Grenzwerte nach TA Luft, wie auch die Grenzwerte nach der VDI-Richtlinie 2310, die wegen fehlender Grenzwerte für den Straßenbau als Orientierungshilfen herangezogen wurden. Betrachtet wurden die Stoffe Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und Ozon. Durch die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Berechnung der Konzentrationsprofile in den beiden Tunnelröhren könnte das Prinzip der natürlichen Lüftung erklärt und gezeigt werden, dass ca. 75 % bis 78 % der im Tunnel emitierten Schadstoffe über den Schlitz in der Tunneldecke und die restlichen 22 % bis 25 % über die beiden Portale abgeführt werden. Unter dem Aspekt der Luftreinhaltung ist dieses Bauwerk als umweltfreundlich anzusehen.
Der Verkehrsablauf in Unterwassertunneln wird am Beispiel des Hamburger Elbtunnels (BAB A 7) analysiert und mit Strecken außerhalb von Tunneln verglichen. Für zweistreifigen Richtungsverkehr (Oströhre) und zweistreifigen Gegenverkehrsbetrieb (Mittelröhre) wird das Geschwindigkeitsverhalten, Abstandsverhalten, Spurverhalten und die Leistungsfähigkeit der Tunnelröhren über Messungen an jeweils 6 Querschnitten untersucht. Geschwindigkeits- und Abstandsverhalten im Tunnel sind primär durch die Beschränkung auf 80 km/h, die vorhandene Gradientenneigung und - in der Mittelröhre - durch das generelle Überholverbot gekennzeichnet. Zwar übertreten 70 % (Oströhre) bzw. 90 % (Mittelröhre) aller Fahrzeugführer die Geschwindigkeitsbeschränkung, doch ist das Geschwindigkeitsniveau niedriger als auf Strecken ohne Tunnel bei gleichen Restriktionen. Beim Spurverhalten fällt gegenüber Strecken außerhalb von Tunneln eine verstärkte Kanalisierung der Fahrzeuge auf. Nach Gewöhnung an die Tunnelverhältnisse nutzt der Kraftfahrer die Tunnelwand offenbar als Leithilfe. Die Leistungsfähigkeit der Oströhre beträgt etwa 2.800 Kfz/h (und entspricht damit der Kapazität "normaler" BAB-Strecken ohne Geschwindigkeitsbeschränkung), die Mittelröhre etwa 1.700 Pkw/h je Fahrtrichtung. Die Unfallrate liegt im Elbtunnel trotz ungünstiger Streckenmerkmale niedriger als im übrigen Hamburger BAB-Netz. Die Unfallschwerpunkte liegen an den Streckenabschnitten, für die das höchste Geschwindigkeitsniveau, ungünstige Einflüsse aus der Portalgestaltung und Staugefahr festgestellt wurden. Aus diesem Ergebnis werden Empfehlungen hinsichtlich konstruktiver Gestaltung, Betrieb und Überwachung abgeleitet.
Im Forschungsvorhaben wurde eine vergleichende Analyse der Baulastträgerkosten von Einhausungsbauwerken und Tunneln in offener Bauweise über den Lebenszyklus durchgeführt. Betrachtet wurden die Einhausungsarten oben offene Einhausungen, seitlich offene Einhausungen (Galerien) und geschlossene Einhausungen mit Verglasungen im Decken- und/oder Wandbereich. Der Analyse wurden mittlere Kostensätze für die Erhaltung (Erneuerung und Unterhaltung) der Bauwerke zugrundegelegt, die aus vorliegenden Objektdaten von Einhausungen und Tunneln gewonnen wurden. Die Gegenüberstellung der Kosten erfolgte für fiktive Gegen- und Richtungsverkehrsbauwerke mit einer Länge von 100 bis 6.000 Metern. Die bauliche Gestaltung sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung der Einhausungen wurden aus den Ergebnissen einer parallel durchgeführten Risikoanalyse (FE 15.492/2010/FRB) abgeleitet. Ziel der Gegenüberstellung war insbesondere die Ermittlung des Kosteneinflusses der Beleuchtungs- und Lüftungsauslegung. Als Vergleichsgröße wurden nach dem Modell der Ablösebeträge-Berechnungsverordnung (ABBV) kapitalisierte Erhaltungskosten verwendet. Im Ergebnis zeigte sich, dass alle Einhausungsarten mit geringeren Kosten als nach RABT 2006 ausgestattete Vergleichstunnel verbunden sind. In Abhängigkeit von Bauwerkslänge und Betriebsform ergaben sich für seitlich offene Einhausungen um 35 bis 45 %, für oben offene Einhausungen um 15 bis 40 % und für geschlossene Einhausungen um 10 bis 20 % niedrigere Erhaltungskosten. Auf Grundlage der ermittelten Kostensätze und dem Modell der ABBV wurde ein Softwaretool erstellt, mit dem die verschiedenen Einhausungsarten einem Vergleichstunnel gegenübergestellt werden können und das die zu erwartenden Kostendifferenzen ausgibt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Standardisierungskonzepte für das Regelwerk erarbeitet, die unter Beibehaltung des Sicherheitsniveaus nach RABT 2006 eine wirtschaftlich optimierte Ausstattung von Einhausungen ermöglichen sollen.
Zur Erprobung der Umsetzung des Eurocode 7 und der weiteren neuen europäischen Normen im Grund- und Tunnelbau wurden Vergleichsberechnungen nach DIN EN 1997-1/DIN 1054 (2010) und nach bisher gültiger DIN 1054 (2005) durchgeführt. Als Beispiele wurden ein Spundwandverbau, eine Winkelstützwand, ein Tunnel in offener Bauweise, ein Tunnel in geschlossener Bauweise und eine Pfahlgründung berechnet. Die Untersuchungen haben im Wesentlichen die folgenden Ergebnisse gezeigt: - Für den betrachteten Spundwandverbau und die untersuchte Winkelstützwand ergeben sich auf der Grundlage der neuen europäischen Vorschriften die gleichen Bauteilabmessungen und Querschnittsausnutzungen wie nach den bisherigen nationalen Normen. - Für Tunnelbauwerke in offener und in geschlossener Bauweise ergeben sich aufgrund der gemäß DIN EN 1992-2 nun größer anzusetzenden Elastizitätsmoduln des Betons geringfügig höhere erforderliche Bewehrungsquerschnitte als bisher. - Bei Pfahlbemessungen ergeben sich geringfügig abweichende Bemessungswiderstände der äußeren Tragfähigkeit der Pfähle. - Durch die Einführung der neuen europäischen Vorschriften für Bauwerke des Grund- und Tunnelbaus ergeben sich insgesamt nur geringe technische Änderungen bei den zu führenden statischen Nachweisen und auch nur geringe Änderungen in den Bemessungsergebnissen gegenüber den bisherigen deutschen Normen. Die Umstellung auf die europäischen Normen beinhaltet im Grund- und Tunnelbau daher keine gravierenden Änderungen des Sicherheitsniveaus oder der Kosten. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die ZTV-ING, Teil 2, Abschnitte 1, 2 und 4 sowie Teil 5, Abschnitte 1 und 2 und die zugehörigen fachspezifischen europäischen und deutschen Vorschriften für die hier untersuchten Bauwerke eine hinreichende Grundlage für die Umsetzung der Eurocodes im Grund- und Tunnelbau sind.
Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
In dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel, der ZTV-ING, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5, Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein "genauerer" rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen. Es stellen sich insbesondere die Fragen, inwieweit über einen genaueren rechnerischen Nachweis Einsparpotenziale bei der Bewehrung gegenüber dem vereinfachten Nachweis vorliegen und welchen Einfluss eine verlängerte ZTV-ING-Kurve (55 Minuten Vollbrandphase statt 25 Minuten Vollbrandphase) auf die erforderlichen Bewehrungsgehalte hat. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die genaueren rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln (ein- und zweizellig) auf Grundlage des Eurocodes EN 1992-1-2 [4], "Allgemeines Rechenverfahren", durchgeführt. Aufgrund des deutlich unterschiedlichen Abplatzverhaltens von Beton ohne PP-Fasern und Beton mit PP-Fasern mit entsprechendem Einfluss auf das Tragverhalten im Brandfall wurden differenzierte Berechnungen durchgeführt. Die Annahmen für die Größe und den Zeitpunkt der Betonabplatzungen basieren auf den Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen [10]. In zusätzlichen statischen Berechnungen wurde der Lastfall nach dem Brand mit Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften durch die Brandeinwirkung nachgewiesen. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen wurde ein Leitfaden mit Musterstatik für den genaueren rechnerischen Brandschutznachweis erstellt. Der Leitfaden mit Musterstatik soll bei der zukünftigen Dimensionierung von Rechteckkonstruktionen von Straßentunneln einen optimierten Brandschutznachweis mit einhergehenden Kostenoptimierungen gegenüber dem bisherigen vereinfachten Brandschutznachweis ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ein komplexes Berechnungsverfahren ist, das in der Praxis noch nicht erprobt ist. Auf Grundlage der Ergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde ein für die Praxis zweckmäßiges Berechnungsverfahren mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen Temperaturgradienten entwickelt. Voraussetzung für die Anwendung dieses Nachweisverfahrens sind vergleichbare Randbedingungen im Brandfall hinsichtlich Größe von Betonabplatzungen und Temperaturverteilungen im Bauteil, welche bei der Verwendung von Betonen mit PP-Fasern und entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung gesehen werden. Für eine Fortschreibung der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, Nr. 10 "Baulicher Brandschutz" werden entsprechende Empfehlungen formuliert.
Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke für die Unterführung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewährt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterführungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptsächlich in Ringrichtung. Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gemäß den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgeführten Bemessungsregeln stammen aus den 70iger Jahren und basieren auf der Veröffentlichung (KLÖPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals üblichen Globalsicherheitskonzepts für die Nachweisführung und genügen nicht mehr den Anforderungen der neuen europäischen Normengenerationen deren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht. Im Zuge der nationalen Einführung der europäischen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Straßenbau in Form der DIN-Fachberichte werden derzeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überarbeitet und sollen zukünftig in die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen werden. Neben allgemeinen Änderungen und Anpassungen der Einwirkungen wird bei der Überarbeitung hinsichtlich der Bemessung hauptsächlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese Überarbeitung der bestehenden Richtlinien für Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche Änderungen herbeigeführt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrachtungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fuer Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überprüft. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag daher auf der Durchführung von umfangreichen Vergleichsberechnungen an unterschiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbauwerken, anhand derer die Auswirkungen der Regelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergänzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden separate Untersuchungen zum Nachweis der Schraubenverbindung und zum Nachweis am Schrägschnitt durchgeführt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitäts- und Beanspruchungsverhalten von Wellstahlbauwerken mit großen Spannweiten untersucht. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen und Vergleichsberechungen konnten für Wellbauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen für die weitere Überarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden: - Mit Ausnahme des Nachweises "Durchschlagen des Bauwerksscheitel für h/s < 0,7" führt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskonzepts zu keinen wesentlichen Änderungen des Sicherheitsniveaus. Für diesen Nachweis wird empfohlen, auch zukünftig das höhere Sicherheitsniveau für gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten. - Die Anpassung bzw. Erhöhung der Verkehrslast von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 führt mit Ausnahme des Nachweises "Grundbruch im Scheitel" lediglich zu einer effektiven Vergrößerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies begründet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk. - Bezüglich der Schraubenverbindung wird empfohlen, die Festlegung der Tragfähigkeit gemäß den europäisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzuführen. - Beim Nachweis "Grundbruch im Scheitel" kommt es infolge der Umstellung des Regelwerks zu größeren Änderungen des Sicherheitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisführung selbst und der Lastanpassung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsniveau beim Übergang vom alten ins neue Regelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Maßnahmen erforderlich. - Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der Überdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.
Die Beurteilung der Nachhaltigkeit von Bauwerken gewinnt in jüngerer Vergangenheit zunehmend an Bedeutung. Während für den üblichen Hochbau bereits nationale und internationale Beurteilungsverfahren existieren, fehlen diese bisher für Ingenieurbauwerke und verkehrliche Anlagen. Die Publikation befasst sich mit einem Vorschlag für ein praxisnahes Bewertungsverfahren für derartige Bauwerke, beschreibt die zu Grunde liegende Methodik und zeigt die maßgebenden Gesichtspunkte für eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung auf.