Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Das Gesamtziel des Forschungsprojektes zum "Brand- und Abplatzverhalten von Faserbeton in Straßentunneln" war die Verifizierung und Validierung des Einflusses von Kunststofffasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von Tunnelbetonen unter der besonderen Berücksichtigung der spezifischen Randbedingungen in Straßentunneln. Dabei sollte im Rahmen der Forschungsarbeit eruiert werden, inwieweit sich mit Kunststofffasern modifizierte Tunnelbetone, die entsprechend ihrer Betonzusammensetzung den gültigen Vorgaben der ZTV-ING zusammengesetzt werden sollten, für den Straßentunnelbau als bauliche Brandschutzmaßnahme eignen. Es wurde untersucht, welche Fasergehalte und Fasergeometrien in den Tunnelbetonen einzusetzen sind, damit ein explosionsartiges Abplatzen des Betons infolge der Brandbeanspruchungen mit dem schnellen Temperaturanstieg und den hohen Maximaltemperaturen verhindert werden kann. Des Weiteren wurden experimentell verifiziert, ob bei den festgelegten Betonen ohne Faserzugabe und fasermodifizierten Tunnelbetonen, die zulässige Maximaltemperatur von 300-°C in Höhe der tragenden Bewehrung (vergleiche ZTV-ING, Teil 5 (Tunnelbau), Abschnitt 1, 10.3.2) nicht überschritten wird. Ein weiteres Ziel der Arbeit war es, herauszufinden, ob die in der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, 10.3.2 (2), geforderte verzinkte Mattenbewehrung (N94) für die offene Bauweise als wirksamer Schutz gegen auftretende Abplatzungen infolge einer einseitigen Temperaturbeanspruchung durch die ZTV-ING-Kurve angesetzt werden kann. Diese zuvor beschriebenen grundlegenden Zielstellungen wurden vor allem an großmaßstäblichen Bauteilversuchen experimentell untersucht. Dabei wurden entsprechend der Trennung in ZTV-ING für Tunnelbauwerke in die geschlossene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 1 und in die offene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 2) angepasste Tunnelbetonrezepturen und verschiedene Probekörpergeometrien untersucht. Mit der Durchführung des Forschungsprojektes sollte insgesamt der Nachweis des positiv wirksamen Einflusses von PP-Fasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von ZTV-ING-konformen Tunnelbetonen für die Anwendung in Straßentunneln erbracht und zudem im Großversuch gezeigt werden, dass es möglich ist, fasermodifizierte Tunnelbetone mit Praxis üblichen Einbaukonsistenzen zielsicher herzustellen.
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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.
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Die Untersuchungen haben ergeben, dass sich die von den ZTV-ING Teil 5 vorgegebene Brandkurve mit ihrer Temperatur in der Vollbrandphase und ihrer Branddauer innerhalb der Bandbreite verwendeter Brandkurven befindet und als einzige für Straßentunnel eine Abkühlungsphase vorgibt. Von Änderungen der Brandkurve in den ZTV-ING Teil 5 wäre zu allererst die Tunnelschale betroffen. Zusätzlich wären gesonderte Untersuchungen des Brandverhaltens von Fugenkonstruktionen erforderlich. Außerdem wäre die Eignung von Dübeln für Lüfter und Brandschutzplatten für eine geänderte ZTV-ING-Kurve nachzuweisen. Der Schwerpunkt des Projektes lag in der Auswertung von Brandversuchen in Tunneln. Dabei konnte herausgearbeitet werden, dass die Versuchsobjekte hinsichtlich ihrer baulichen und betrieblichen Verhältnisse nicht mit modernen Straßentunneln vergleichbar sind und die erhaltenen Temperatur-Zeit-Verläufe nicht für die Bemessung des baulichen Brandschutzes von Straßentunneln herangezogen werden können. Damit liegen bisher keine wissenschaftlich abgesicherten Erkenntnisse vor, die eine Änderung der bisherigen ZTV-ING-Kurve rechtfertigen. Mit Verweis auf die Empfehlungen von ITA/PIARC wird empfohlen, in Fällen, bei denen ein lokales Versagen des Tunnels infolge Brand zu einem Verlust des gesamten Tunnels und/oder zu einem Verlust der Standsicherheit eines angrenzenden Bauwerkes führt, ein höheres Niveau für den Schutz des Tunnelbauwerkes als bisher vorzusehen.
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Im Rahmen des AP-Projektes sollten Fragen zur Dauerhaftigkeit von permanenten AGS beantwortet werden. Für die dazu erforderlichen Untersuchungen wurden sechs permanente AGS aus dem Verzeichnis der geprüften AGS ausgewählt. Die Graffitiprophylaxen dieser AGS wurden auf Prüfkörpern aus Beton appliziert und der Freibewitterung ausgesetzt. Die farblichen Veränderungen der Prüfplatten im Zuge der Untersuchungen wurden messtechnisch erfasst. Die Applikationen der Graffitiprophylaxen auf die Prüfkörper lassen das Erscheinungsbild generell dunkler erscheinen. Die Bandbreite reicht von kaum wahrnehmbaren Verdunkelungen bis hin zu starken Verdunkelungen. Die Betrachtung der Ergebnisse nach fünfjähriger Freibewitterung zeigt kein einheitliches Bild. Bei drei AGS wurde eine weitere Verdunkelung der Graffitiprophylaxe festgestellt, während bei 2 AGS eine deutliche Aufhellung der Graffitiprophylaxe festgestellt wurde. Bei einem AGS traten großflächige Ablösungen auf, so dass eine Bewertung der farblichen Veränderungen entfällt. Als Folge der Freibewitterung hat sich lediglich bei einer Graffitiprophylaxe eine Tendenz zur Vergilbung gezeigt. Die schichtbildenden Graffitiprophylaxen (5 AGS) wurden nach Ende der Freibewitterungszeit visuell hinsichtlich Ablösungen, Risse und Blasen bewertet. Bei drei AGS lautet das Ergebnis keine Ablösungen, keine Risse, Blasengrad m0/g0. Bei einem AGS wurden Ablösungen und Risse festgestellt. Ein AGS zeigte großflächige Ablösungen. Die Funktionalitätsprüfung, das heißt die Prüfung der Entfernbarkeit von aufgetragenen Farbmitteln wurde im Abstand von 4 Monaten durchgeführt. Bei zwei AGS wurden nach fünfjähriger Freibewitterung und 15 Reinigungszyklen die Anforderungen an die Funktionalität sehr deutlich erfüllt. Ein weiteres AGS erfüllt die Funktionalität bis zum 15. Zyklus, lediglich bei der Betrachtung der Einzelfarbflächen kommt es beim 15. Zyklus zu einer geringfügigen Überschreitung des Grenzwertes. Zwei AGS zeigen zunächst sehr gute Ergebnisse, erfüllen dann aber nach 28 beziehungsweise 40 Monaten plötzlich die Anforderungen an die Funktionalität nicht mehr. Bei einem AGS ist von Beginn an eine stetige Abnahme der Funktionalität festzustellen, wobei nach 36 Monaten die Anforderung an die Funktionalität nicht mehr erfüllt wird. Die Anforderungen an die Funktionalität werden von den untersuchten AGS also mindestens bis zu einer Freibewitterungszeit von 28 Monaten erfüllt. Somit wird die in den ZTV-ING, Abschnitt 3, Teil 2 festgelegte Verjährungsfrist für Mängelansprüche von 2 Jahren bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verlängerung der Verjährungsfrist für Mängelansprüche auf 5 Jahre nicht generell möglich ist. Zwei der untersuchten AGS zeigen auch nach 5 Jahren Freibewitterungszeit eine Funktionalität, die deutlich besser als der festgelegte Grenzwert ist. Bei dem AGS mit der filmbildenden Graffitiprophylaxe wurden Abreißuntersuchungen durchgeführt. Die ermittelten Abreißwerte liegen deutlich über den Werten, die ZTV-ING Teil 3 Abschnitt 4 von Oberflächenschutzsystemen fordert. Es konnte aufgezeigt werden, dass AGS auch nach fünfjähriger Freibewitterung und Funktionalitätsprüfungen zum einen die Anforderungen an AGS und zum anderen auch Anforderungen an OS erfüllen. Von vielen Straßenbauverwaltungen werden solche Systeme gefordert. Entsprechende Regelungen entstehen durch eine "Verknüpfung" der jeweiligen Regelwerke für AGS und OS im Rahmen des Projektes F1100.21008 "Erarbeitung der TL/TP AGS - Oberflächenschutzsysteme und Mauerwerk".