Baulicher Brandschutz für Tunnel in offener Bauweise - Rechnerischer Nachweis

Tunnel sollen sowohl einem Brand widerstehen, als auch nach einem Brandereignis mit einem im Verhältnis stehenden Aufwand instand gesetzt werden können. Ob ein genauerer rechnerischer Nachweis gegenüber dem bislang meist praktizierten vereinfachten Brandschutznachweis nach ZTV-ING eine wirtschaftliche Optimierung bietet, wurde vom Ingenieurbüro Maidl & Maidl (IMM) in einem Forschungsprojekt der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersucht.

Statisches System des untersuchten Referenztunnelquerschnittes (Bild: Ingenieurbüro Maidl & Maidl)

Aufgabenstellung

Durch Großbrandversuche und reale Brandereignisse in Tunneln entstandene Schädigungen am Bauwerk belegen die Bedeutung eines ausreichenden baulichen Brandschutzes zur Sicherstellung der Standsicherheit. Letzterer ist gegeben, wenn das Bauwerk einer möglichen Brandeinwirkung widersteht und später mit einem verhältnismäßigen Aufwand wieder instand gesetzt werden kann. Der in der überwiegend zur Anwendung kommende vereinfachte Brandschutznachweis nach ZTV-ING (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten) führt zu teilweise unwirtschaftlichen Bewehrungsgehalten. Es stellte sich deshalb die Frage, ob ein genauerer rechnerischer Nachweis ein wirtschaftliches Optimierungspotenzial enthalten kann. Darüber hinaus bedurfte es der Untersuchung, inwieweit Branddauern, welche die von der ZTV-ING-Brandkurve vorgegebenen Zeiten überschreiten, Konsequenzen für den baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte haben.

Untersuchungsmethode

Auf der Grundlage des “Allgemeinen Berechnungsverfahrens” nach Eurocodes EN 1992-1-2 fanden die genauen rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von ein- und zweizelligen Straßentunneln statt. Bei der Berechnung der Temperaturverteilung im Betonquerschnitt wurde als äußere Temperatureinwirkung sowohl die normale ZTV-ING-Kurve mit einer Vollbrandphase von 25 Minuten verwendet als auch eine verlängerte Kurve von 55 Minuten Vollbrandphase festgelegt. Das unterschiedliche Abplatzverhalten von Beton mit und ohne Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) erforderte zudem differenzierte Kalkulationen zum Tragverhalten im und nach dem Brandfall, wofür Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen herangezogen wurden (vergleiche Heft B73: Brand- und Abplatzverhalten von Faserbeton in Straßentunneln, 2010). Zusätzliche statistische Berechnungen bezogen sich auf den Nachweis des Lastfalls nach dem Brand unter Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften. Als repräsentativer Tunnelquerschnitt fungierte ein zweizelliges Tunnelbauwerk als wasserundurchlässige Betonkonstruktion. Dabei betrug die Bauteildicke der Decke und der Außenwände 90 Zentimeter, die Bodenüberdeckung wurde mit 4 Metern festgelegt.

Ergebnisse

Der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ist ein aufwändiges und komplexes Berechnungsverfahren, das in der Praxis noch nicht ausreichend erprobt ist. Die gewählten Randbedingungen wie Größe und Zeitpunkt der Abplatzungen, temperaturabhängige Materialeigenschaften für die thermische und mechanische Analyse sowie nichtlineare Berechnungsalgorithmen können zu differenzierten Berechnungsergebnissen führen. Die durchgeführten Berechnungsvariationen ergaben für einen Tunnelquerschnitt aus Beton ohne PP-Fasern die Erfordernis eines objektspezifischen genauen rechnerischen Nachweises, da sowohl die Randbedingungen als auch die verwendeten Brandschutzbekleidungen berücksichtigt werden müssen. Die erstellte Musterstatik kann in diesem Fall als Leitfaden angesehen werden. Bei einem Tunnelquerschnitt aus Beton mit PP-Fasern darf bei entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung eine Vergleichbarkeit vorausgesetzt werden. Für ein- und zweizellige Tunnelquerschnitte mit Bauteildicken zwischen 60 und 150 cm konnte ein vereinfachtes Berechnungsverfahren für den Brandfall mit Vorgabe eines von der Baudicke abhängigem Temperaturgradienten vorgestellt werden.